FI91832C - Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi - Google Patents

Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi Download PDF

Info

Publication number
FI91832C
FI91832C FI894928A FI894928A FI91832C FI 91832 C FI91832 C FI 91832C FI 894928 A FI894928 A FI 894928A FI 894928 A FI894928 A FI 894928A FI 91832 C FI91832 C FI 91832C
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
metal
matrix
filler
infiltration
penetration
Prior art date
Application number
FI894928A
Other languages
English (en)
Swedish (sv)
Other versions
FI894928A0 (fi
FI91832B (fi
Inventor
Danny Ray White
Andrew Willard Urquhart
Original Assignee
Lanxide Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Lanxide Technology Co Ltd filed Critical Lanxide Technology Co Ltd
Publication of FI894928A0 publication Critical patent/FI894928A0/fi
Publication of FI91832B publication Critical patent/FI91832B/fi
Application granted granted Critical
Publication of FI91832C publication Critical patent/FI91832C/fi

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/009—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone characterised by the material treated
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/45—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
    • C04B41/50—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements with inorganic materials
    • C04B41/51—Metallising, e.g. infiltration of sintered ceramic preforms with molten metal
    • C04B41/515—Other specific metals
    • C04B41/5155—Aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/80—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics
    • C04B41/81—Coating or impregnation
    • C04B41/85—Coating or impregnation with inorganic materials
    • C04B41/88—Metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00474—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00
    • C04B2111/00905—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 as preforms
    • C04B2111/00913—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 as preforms as ceramic preforms for the fabrication of metal matrix comp, e.g. cermets
    • C04B2111/00931—Coated or infiltrated preforms, e.g. with molten metal

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Manufacture Of Alloys Or Alloy Compounds (AREA)
  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
  • Heating, Cooling, Or Curing Plastics Or The Like In General (AREA)
  • Moulds For Moulding Plastics Or The Like (AREA)
  • Testing Of Coins (AREA)
  • Glass Compositions (AREA)
  • Footwear And Its Accessory, Manufacturing Method And Apparatuses (AREA)
  • Mattresses And Other Support Structures For Chairs And Beds (AREA)

Description

i OCZ
Menetelmå metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi 5
Esillå oleva keksinto liittyy metallimatriisi-komposiitti-kappaleiden muodostamiseen spontaanin tunkeutumisen mene-telmållå. Erityisesti matriisimetallin valanne muotoillaan sellaiseksi mallikappaleeksi, joka muodoltaan on oleelli-10 sesti komplementaarinen sellaisen onkalon suhteen, joka muodostetaan metallimatriisikomposiittikappaleeseen. Muo-toiltu matriisimetallivalanne ympårdidåån låpåisevållå tåy-teainemassalla, joka prosessin olosuhteissa voidaan saattaa mukailemaan muotoillun matriisimetallivalanteen muotoa.
15 Tunkeutumisen ediståjå ja/tai tunkeutumisen ediståjån edel-tåjå sekå tunkeutumisatmosfååri ovat myos ainakin prosessin jossakin vaiheessa yhteydesså tåyteaineeseen, mikå sallii muotoillun matriisimetallivalanteen, kun se on sulatettu, spontaanin tunkeutumisen ympåroivåån låpåisevåån tåyteai-20 nemassaan. Sellaisen spontaanin tunkeutumisen jålkeen on aikaansaatu metallimatriisikomposiittikappale, jossa oleva onkalo muodoltaan oleellisesti vastaa alkuperåistå matrii-s imetal1ivalanne11a.
25
Metallimatriisin ja lujittavan tai vahvistavan faasin, kuten keraamisia hiukkasia, kuitukiteitå, kuituja tai vastaa-via kåsittåvåt komposiittituotteet nåyttåvåt lupaavilta mo-niin eriin sovellutuksiin, koska niisså yhdistyvåt osa 30 lujittavan faasin jåykkyydestå ja kulutuskeståvyydestå metallimatriisin muovattavuuteen ja sitkeyteen. Yleenså metallimatriisikomposiitilla luodaan parannuksia sellai-sissa ominaisuuksissa, kuten lujuus, jåykkyys, hankausku-lutuksen keståvyys, ja lujuuden pysyminen korkeammissa 35 låmpStiloissa, verrattuna matriisimetalliin sen monoliit- 2 s i bo2 tisessa muodossa, mutta måårå, johon saakka mååråttyå ominaisuutta voidaan parantaa, riippuu suuresti kyseesså olevista ainesosista, niiden tilavuus- tai painosuhteista, seka siitå miten niitå kåsitellåån komposiittia muodostet-5 taessa. Eråisså tapauksissa komposiitti voi myos olla kevyempåå kuin matriisimetalli sellaisenaan. Alumiinimat-riisikomposiitit, jotka on vahvistettu keraamilla, kuten esimerkiksi piikarbidilla hiukkasten, hiutaleiden tai kuitukiteiden muodossa, ovat kiinnostavia johtuen niiden 10 alumiiniin verrattuna suuremmasta jåykkyydestå, kulutuksen kestavyydestå ja korkean låmpotilan lujuudesta.
Alumiinimatriisikomposiittien valmistamiseksi on kuvattu erilaisia metallurgisia menetelmiå, mukaanlukien menete1-15 miå, jotka perustuvat jauhemetallurgiatekniikoihin ja sulan metallin tunkeutumistekniikoihin, joissa kåytetaan hyvåksi painevalua, tyhjovalua, sekoittamista, ja notkis-timia. Jauhemetallurgiatekniikoiden avulla jauheen muodossa oleva metalli ja jauheen, kuitukiteiden, leikattujen 20 kuitujen, jne. muodossa oleva lujittava aine sekoitetaan ja sitten joko kylmapuristetaan ja sintrataan, tai kuuma-puristetaan. Tållå menetelmållå tuotetun piikarbidilla lujitetun alumiinimatriisikomposiitin suurimman keraamin tilavuusosan on ilmoitettu olevan noin 25 tilavuusprosent-25 tia kuitukiteiden tapauksessa ja noin 40 tilavuusprosenttia hiukkasten tapauksessa.
Metallimatriisikomposiittien tuottaminen jauhemetallurgi-sia tekniikoita kåyttåvin tavanomaisin menetelmin asettaa 30 eråitå rajoituksia aikaansaatavien tuotteiden ominaisuuk-sille. Komposiitissa olevan keracunifaasin tilavuusosa on tyypillisesti rajoittunut, hiukkasten tapauksessa noin 40 prosenttiin. Samaten asettaa puristustoiminta rajan kåy-tånnosså saavutettavalle koolie. Ainoastaan suhteellisen 35 yksinkertaiset tuotteen muodot ovat mahdollisia ilman jålkeenpåin tapahtuvaa kåsittelyå (esim* muotoilua tai koneistusta) tai ottamatta kåyttoon monimutkaisia puris- 3 “/ ί -· s 9 timia. Sintrauksen aikana voi myos esiintyå epåtasaista kutistumista, samoin kuin mikrostruktuurin epåtasaisuutta, johtuen kiintoaineisiin eriytymisestå ja hiukkasten kas-vusta.
5 US-patentissa 3,970,136 kuvataan menetelma metallimatrii-sikomposiitin muodostamiseksi, johon sisaltyy kuitumuotoi-nen lujite, esim. piikarbidi- tai alumiinikuitukiteitå, joilla on ennalta mååråtty kuitujen suuntaus. Komposiitti 10 tehdåån sijoittamalla samassa tasossa olevien kuitujen samansuuntaisia mattoja tai huopia muottiin yhdessa sulan matriisimetallin, esim. alumiinin låhteen kanssa ainakin joidenkin mattojen vålisså, ja kohdistamalla painetta, niin ettå sula metalli pakotetaan tunkeutumaan mattoihin ja 15 ympåroimåån suunnatut kuidut. Mattojen pinon paalle voidaan valaa sulaa metallia, jolloin sita paineen avulla pakotetaan virtaamaan mattojen våliin. Komposiitissa olevien lujittavien kuitujen jopa 50 % tilavuuspitoisuuksia on ilmoitettu.
20
Edellå olevaan tunkeutumismenetelmaan liittyy paineen aiheuttamien virtausprosessien yllåtyksellisia vaihtelu-ja. ts. mahdollisia epåsåånnollisyyksiå matriisin muodos-tumisessa, huokoisuutta, jne, kun otetaan huomioon etta se 25 riippuu ulkoisesta paineesta sulan matriisimetallin pakot-tamiseksi kuitupitoisten mattojen lapi. Ominaisuuksien epåtasaisuus on mahdollinen vaikka sulaa metallia johdet-taisiin useeunmasta kohdasta kuitupitoiseen jarjestelyyn. Vastaavasti on jarjestettåva monimutkaiset matto/lahde-30 jarjestelyt ja virtausreitit soveltuvan ja tasaisen tun-keutumisen aikaansaamiseksi kuitumattojen pinoon. Edella. mainittu painetunkeutumismenetelma mahdollistaa myos ai-noastaan suhteellisen pienen lujitusaineen ja matriisiti-lavuuden suhteen, johtuen suureen mattotilavuuteen kiin-35 teåsti liittyvåstå tunkeutumisen vaikeudesta. Lisåksi muoteissa on oltava sulaa metallia paineen alaisena, joka nostaa menetelman kustannuksia. Lopuksi edella mainittu 4 i'1532 menetelmå, joka rajoittuu ojennuksessa oleviin hiukkasiin tai kuituihin tunkeutumiseen, ei sovellu alumiinimatrii-sikomposiittien muodostamiseen, jotka on lujitettu satun-naisesti suuntautuvista hiukkasista, kuitukiteistå tai 5 kuiduista koostuvilla aineilla.
Alumiinimatriisi-alumiinioksiditåytteisten komposiittien valmistuksessa alumiini ei helposti kostuta alumiinioksi-dia, jolloin on vaikeata muodostaa yhtenåinen tuote. Tåhån 10 ongelmaan on ehdotettu erilaisia ratkaisuja. Eras sellainen låhestyminen on alumiinin påållyståminen metallilla (esim. nikkelillå tai wolframilla), joka sitten kuumapuristetaan yhdesså alumiinin kanssa. Toisessa tekniikassa alumiini seostetaan litiumin kanssa, ja alumiinioksidi voidaan 15 påållyståå piidioksidilla. Nåillå komposiiteilla kuitenkin ominaisuudet vaihtelevat, tai paållystykset voivat heiken-taå tåytetta, tai matriisi sisåltaå litiumia, joka voi vaikuttaa matriisin ominaisuuksiin.
20 US-patentilla 4,232,091 voitetaan eråitå alan vaikeuksia, joita kohdataan valmistettaessa alumiinimatriisi-alu-miinioksiditåytteisia komposiitteja. Tåssa patentissa ku-vataan 75 - 375 kg/cm paineen kohdistamista pakottamaan sula alumiini (tai sula alumiiniseos) alumiinioksidia 25 olevaan kuitu- tai kuitukidemattoon, joka on esilåmmitetty alueelle 700 - 1050°C. Alumiinioksidin suurin suhde metalliin tuloksena olevassa kiinteåssa valukappaleessa oli 0,25:1. Koska tåssa menetelmåsså ollaan riippuvaisia ulkopuolisesta paineesta tunkeutumisen aikaansaamiseksi, 30 sitå vaivaavat monet samat puutteet kuin US-patenttia 3,970,136.
EP-hakemuksessa 115,742 kuvataan alumiini-alumiinioksidi-komposiittien valmistamista, jotka ovat erityisen kåytto-35 kelpoisia elektrolyyttikennokomponentteina, ja joissa esi- muotin alumiinioksidimatriisin ontelot tåytetåån alumiinilla, ja tåtå vårten kåytetåån erilaisia tekniikoita li 5 i I 8o2 alumiinioksidin kostuttamiseksi koko esimuotissa. Alu-miinioksidi kostutetaan esimerkiksi titaani-, zirkonium-, hafnium tai niobi-diboridia olevalla kostutusaineella tai metallilla, ts. litiumilla, magnesiumilla, kalsiumilla, 5 titaanilla, kromilla, raudalla, koboltilla, nikkelillå, zirkoniumilla tai hafniumilla. Kostutuksen ediståmiseksi kåytetåån inerttiå atmosfååriå, kuten argonia. Tåsså julkaisussa esitetåån myos paineen kohdistaminen sulan alumiinin saamiseksi tunkeutumaan påållyståmattomaån mat-10 riisiin. Tåsså suhteessa tunkeutuminen aikaansaadaan saat-tamalla huokoset ensin tyhjoon ja kohdistamalla sitten sulaan alurniiniim painetta inertisså atmosfåårisså, esim. argonissa. Vaihtoehtoisesti esimuottiin voidaan tunkeutua hoyryfaasissa olevalla alumiinipåållystyksellå pintojen 15 kostuttamiseksi ennen onteloiden tåyttåmistå tunkeutuvalla sulalla alumiinilla. Jotta varmistettaisiin alumiinin pysyminen esimuotin huokosissa vaaditaan lampokåsittelyå, esim låmpotilassa 1400 - 1800°C, joko argonissa tai tyhjosså. Muutoin joko paineen alaisena tunkeutuneen aineen 20 altistuminen kaasulle, tai tunkeutumispaineen poistaminen, aiheuttaa alumiinin håviåmisen kappaleesta.
Kostutusaineiden kayttaminen alumiinioksidikomponentin tunkeutumisen aikaansaamiseksi sulaa metallia sisaltåvåan 25 elektrolyyttikennoon on esitetty myos EP-hakemuksessa 94353. Tåssa julkaisussa kuvataa alumiinin tuottamista elektrolyysillå kennossa, jossa virranjohdinkatodi on kennon vaippana tai alustana. Tåmån alustan suojaamiseksi sulalta kryoliitilta levitetåån alumiinioksidialustalle 30 ohut påållystys kostutusaineen ja liukenemisen eståvån aineen seoksella ennen kennon kåynniståmistå tai kun se on upotettuna elektrolyysiprosessin tuottamaan sulaan alu-miiniin. Kuvattuja kostutusaineita ovat titaani, zirkonium, hafnium, pii, magnesium, vanadiini, kromi, niobi 35 tai kalsium, ja titaani esitetåån edullisimmaksi aineeksi. Boorin, hiilen ja typen yhdisteiden selitetåån olevan hyodyllisiå estettåesså kostutusaineiden liukenemista su- • · 6 91 δ o 2 laan alumiiniin. Tassa julkaisussa ei kuitenkaan ehdoteta metallimatriisikomposiittien tuottamista, eikå siina eh-dotetaa sellaisten komposiittien muodostamista esimerkiksi typpiatmosfåårisså.
5
Paineen ja kostutusaineiden kåyton lisåksi on kuvattu tyhjon kohdistamisen ediståvån sulan alumiinin tunkeutu- mista huokoiseen keraamikappaleeseen. Esimerkiksi US-pa- tentissa 3,718,441 raportoidaan keraamiseen kappaleeseen 10 (esim. boorikarbidi, alumiinioksidi ja berylliumoksidi) tunkeutumista joko sulalla alumiinilla, berylliumilla, magnesiumilla, titaanilla, vanadiinilla, nikkelillå tax —6 —2 kromilla, tyhjosså joka on alle 10 torr. Vålilla 10 ...
10-6 torr oleva tyhjo johti keraamin heikkoon kostuttami-15 seen sulalla metallilla, niin ettei metalli virrannut vapaasti keraamin ontelotiloihin. Kostuttamisen sanotaan kuitenkin parantuneen, kun tyhjo pienennettiin alle 10”6 torr.
20 Myos US-patentissa 3,864,154 esitetåån tyhjon kåyttåmistå tunkeutumisen aikaansaamiseksi. Tassa patentissa selite- taån kylmåpuristetun AlBi2-kappaleen asettamista kylmåpu- ristetun alumiinijauheen pedille. Sen jålkeen sijoitettiin lisåa alumiinia AIB12-jauhekappaleen paålle. Sulatusastia, 25 jossa AlBi2-kappale oli "kerrostettuna" alumiinijauheker- rosten valiin, sijoitettiin tyhjouuniin. Uuniin jårjestet--5 txxn noxn 10 torr oleva tyhjd kaasun poxstumxsta vårten. Lampotilaa nostettiin sen jalkeen 1100°C:een, jossa se pidettiin 3 tuntia. Nåisså oloissa sula alumiini tunkeutui 30 AlBi2-kappaleeseen.
t US-patentissa 3,364,976 selitetaån suunnitelmaa itseståan kehittyvan tyhjon aikaansaamista kappaleeseen, sulan metallin kappaleeseen tunkeutumisen lisååmiseksi. Erityises-35 ti selitetaån, ettå kappale, esim. grafiittimuotti, terås-muotti tai huokoinen tulenkeståvå aine, kokonaan upotetaan sulaan metalliin. Muotin tapauksessa metallin kanssa li 7 r·, Λ C- ^ y i uoz reagoivan kaasun kanssa tåytetty muottiontelo on yhteydesså ulkopuolella sijaitsevaan sulaan metalliin muotissa olevan ainakin yhden aukon kautta. Kun muotti upotetaan sulaan, tapahtuu ontelon tåyttyminen itseståan kehittyvån tyhjon 5 syntyessa. ontelossa olevan kaasun ja sulan metallin reaktion johdosta. Tyhjo on erityisesti tulosta metallin kiinteån oksidimuodon syntymisesta. Siten tåsså julkaiussa esitetaån, ettå on oleellista aikaansaada ontelossa olevan kaasun ja sulan metallin vålinen reaktio. Muotin kayttå-10 minen tyhjon luomiseksi ei kuitenkaan vålttåmåttå ole toivottavaa, johtuen muotin kayttoon liittyvistå vålitto-mistå rajoituksista. Muotit on ensin koneistettava rnaarat-tyyn muotoon; sitten loppukåsiteltåvå, koneistettava hy-vaksyttåvån valupinnan tuottamiseksi muottiin; sitten 15 koottava ennen niiden kåyttåmistå; sitten purettava niiden kayton jålkeen valukappaleen poistamiseksi niistå; ja sen jalkeen muotti on jalleen saatettava kayttokuntoon, mika rnita todennakoisimmin merkitsisi muotin pintojen uudelleen kasittelyå tai muotin poisteunista, ellei se enåå ole 20 kayttoon hyvåksyttavå. Muotin koneistaminen monimutkaiseen muotoon saattaa olla erittåin kallista ja aikaavievaa. Lisåksi muodostuneen kappaleen poistaminen monimutkaisen muotoisesta muotista saattaa olla vaikeata (ts. monimutkaisen muotoiset valukappaleet saattavat mennå rikki niitå 25 muotista poistettaessa). Lisåksi, vaikka julkaisussa eh-dotetaan, ettå huokoinen tulenkeståvå aine voitaisiin suoraan upottaa sulaan metalliin tarvitsematta kåyttåå muottia, niin tulenkeståvån aineen olisi oltava yhtenåinen kappale, koska ei ole olemassa mahdollisuutta aikaansaada 30 tunkeutumista irralliseen tai erotettuun huokoiseen ainee-seen ilman såilionå olevaa muottia (ts. uskotaan yleisesti, ettå hiukkasmainen aine tyypillisesti dissosioituisi tai valuisi hajalleen sitå sulaan metalliin sijoitettaessa). Lisåksi, jos haluttaisiin aikaansaada tunkeutuminen hiuk-35 kasmaiseen aineeseen tai loyhåsti muodostettuun esimuot-tiin, olisi ryhdyttåvå varotoimiin, niin ettei tunkeutuva 8
' -Ί w ~ C
? ! b 3 I
metalli syrjåyttaisi osaa hiukkasaineesta tai esimuotista, xnikå johtaisi epåhomogeeniseen mikrostruktuuriin.
Vastaavasti on kauan ollut olemassa tarve saada yksinker-5 tainen ja luotettava menetelmå muotoiltujen metallimatrii-si-komposiittien tuottamiseksi, joka ei perustu paineen tai tyhjon kåyttåmiseen (joko ulkoisesti kohdistettuna tai sisåisesti kehitettynå), tai vahingollisten kostutusainei-den kayttåmiseen metallimatriisin luomiseksi toiseen ai-10 neeseen, kuten keraamiseen aineeseen. Lisåksi on pitkåån ollut tarve minimoida lopullisten koneistustoimenpiteiden mååråå, joita tarvitaan metallimatriisi-komposiittikappa-leen aikaansaamiseksi. Esillå oleva keksinto tyydyttåå nåmå tarpeet aikaansaamalla spontaanin tunkeutumismekanismin 15 aineeseen (esim. keraaminen aine) tunkeutumisen aikaansaa-miseksi, joka voidaan muotoilla esimuotiksi, jossa on sulaa matriisimetallia (esim. alumiinia) tunketumisatmosfåårin (esim. typen) låsnåollessa normaalissa ilmanpaineessa, jolloin tunkeutumisen ediståjåå on låsnå ainakin jossakin 20 prosessin vaiheessa.
Tåmån hakemuksen sisålto liittyy useaan rinnakkaiseen hakemukseen. Erityisesti nåmå muut rinnakkaiset hakemukset kuvaavat uusia menetelmiå metallimatriisi-komposiittiai-25 neiden tuottamiseksi (niihin viitataan jålempånå eråisså tapauksissa nimellå "rinnakkais-metallimatriisihakemuk-set").
Uutta menetelmåå metallimatriisi-komposiittiaineen tuot-30 tamiseksi kuvataan US-hakemuksessamme 049,171, jonka ni-mityksenå on "Metallimatriisikomposiitteja", ja joka nyt on hyvåksytty USArssa. Mainitun keksinnon mukaisesti metallimatriisikomposiitti tuotetaan tunkeuttamalla lå-påisevåån tåyteaineeseen (esim. keraamia tai keracimilla 35 påållystettya ainetta) sulaa alumiinia, joka sisåltåå ainakin 1 painoprosentin magnesiumia ja edullisesti ainakin 3 painoprosenttia magnesiumia. Tunkeutuminen tapahtuu |{ j Ί 0 ? ! J vJ l 9 spontaanisti kåyttåmåttå ulkoista painetta tai tyhjoå. Sulan metalliseoksen syotto saatetaan koskettamaan tåyte-ainemassaa låmpotilassa, joka on ainakin noin 675°C, kun låsnå on kaasua, joka kåsittåå noin 10 - 100 tilavuus-5 prosenttia, edullisesti ainakin noin 50 tilavuusprosenttia typpeå, jolloin loput, mikåli sitå on, on ei-hapettavaa kaasua, esim. argonia. Nåisså oloissa sula alumiiniseos tunkeutuu keraamimassaan normaalissa ilmakehån paineessa muodostaen alumiini- (tai alumiiniseos-) matriisikomposii-10 tin. Kun haluttu måårå tåyteainetta on sulan alumiiniseok-sen låpitunkemaa, lasketaan låmpotilaa seoksen kiinteyt-tåmiseksi, jolloin muodostuu kiinteå metallimatriisin rakenne, joka sulkee sisåånså lujittavan tåyteaineen. Tavallisesti, ja edullisesti, syotetty sula seos riittåå 15 aikaansaamaan tunkeutumisen etenemisen oleellisesti tåy-teainemassan rajoille. Hakemuksen 049,171 mukaisesti tuo-tettujen alumiinimatriisikomposiittien tåyteaineen måårå voi olla erittåin suuri. Tåsså mielesså voidaan saavuttaa tåyteaineen ja seoksen tilavuussuhteita jotka ovat suurem-20 pia kuin 1:1.
Edellå mainitun hakemuksen 049,171 mukaisissa proses-sioloissa alumiininitridiå voi muodostua epåjatkuvana faasina, joka on jakautunut koko alumiinimatriisiin.
25 Nitridin måårå alumiinimatriisissa voi vaihdella sellais-ten tekijoiden, kuten låmpotilan, seoksen koostumuksen, kaasun koostumuksen ja tåyteaineen mukaisesti. Siten voidaan yhtå tai useampaa sellaista jårjestelmån tekijåå sååtåmållå rååtåloidå mååråttyjå komposiitin ominaisuuk-30 sia. Joitakin loppukåyttosovellutuksia vårten voi kuiten-kin olla toivottavaa, ettå komposiitti sisåltåå våhån tai oleellisesti ei lainkaan alumiininitridiå.
On havaittu, ettå korkeammat låmpotilat ediståvåt tunkeu- 35 tumista, mutta johtavat siihen, ettå menetelmåsså herkemmin muodostuu nitridiå. Hakemuksen 049,171 mukaisessa keksin- 10 916-2 nosså sallitaan tunkeutumiskinetiikan ja nitridin muodos-tumisen vålisen tasapainon valitseminen.
Esimerkki sopivista estovålineistå kåytettåviksi metalli-5 matriisikomposiittien muodostamisen yhteydesså on selitet-ty US-hakemuksessa 141,642, jonka nimityksenå on "Menetelmå metallimatriisikomposiittien valmistamiseksi estoainetta kåyttåen". Taman keksinnon menetelman mukaisesti estovå-linettå (esim. hinkkasmaista titaanidiboridia tai grafiit-10 tiainetta, kuten joustavaa grafiittinauhatuotetta, jota Union Carbide myy tuotenimellå Grafoil (R) ) sijoitetaan tåyteaineen mååråtyllå rajapinnalle ja matriisiseos tun-keutuu estovålineen måårittelemåån rajapintaan saakka. Estovålinettå kåytetåån eståmåån, torjumaan tai lopetta-15 maan sulan seoksen tunkeutuminen, jolloin aikaansaadaan verkon, tai låhes verkon muotoja tuloksena olevassa metallimatriisikomposiitissa* Vastaavasti muodostetuilla metallimatriisi-komposiittikappaleilla on ulkomuoto, joka oleellisesti vastaa estovålineen sisåmuotoa.
20 US-patenttihakemuksen 049,171 mukaista menetelmåå paran-nettiin rinnakkaisella US-patenttihakemuksella 168,284, jonka nimityksenå on "Metallimatriisikomposiitteja ja tekniikoita niiden valmistamiseksi". Mainitussa hakemuk-25 sessa esitettyjen menetelmien mukaisesti matriisimetal-liseos on låsnå metallin ensimmåisena låhteenå ja mat-riisimetallin varastolåhteenå, joka on yhteydesså sulan metallin ensimmåiseen låhteeseen, esimerkiksi painovoimai-sen virtauksen vålityksellå. Erityisesti, mainitussa ha-30 kemuksessa esitetyisså oloissa, sulan matriisiseoksen låhde alkaa tunkeutua tåyteainemassaan normaalissa ilma-kehån paineessa ja aloittaa siten metallimatriisikomposii-tin muodostuksen. Sulan matriisimetallin ensimmåinen låhde kulutetaan sen tunkeutuessa tåyteainemassaan, ja halutta-35 essa sitå voidaan lisåtå, edullisesti jatkuvalla tavalla, sulan matriisimetallin varastolåhteestå spontaanin tunkeu-tumisen jatkuessa. Kun toivottu måårå låpåisevåå tåyte- ii 11 'i '1 5 Ξ 2 ainetta on sulan matriisiseoksen låpitunkemaa, lasketaan låmpotilaa seoksen kiinteyttåmiseksi, jolloin muodostuu kiintea metallimatriisistruktuuri, joka ympåroi lujittavaa tåyteainetta. On ymmårrettåvå, ettå metallivarastolåhteen 5 kåyttåminen on ainoastaan mainitussa patenttihakemuksessa kuvatun keksinnon eras suoritusmuoto, eikå varastolåhteen suoritusmuodon yhdiståminen jokaiseen siina esitettyyn keksinnon vaihtoehtoiseen suoritusmuotoon ole vålttåmåton-tå, joista eraat voisivat myos olla hyodyllisia kaytettyna 10 esilla olevan keksinnon yhteydesså.
Metallin varastolåhdetta voi olla sellaisena mååråna, etta se aikaansaa riittavan metallimaåran tunkeutumisen ennalta maåråtysså måår in låpåisevåån tåyteaineeseen. Vaihtoehtoi-15 sesti voi valinnainen estovåline olla kosketuksessa tåy-teaineen låpåisevåån massaan ainakin sen toisella puolella rajapinnan måårittelemiseksi.
Lisåksi, vaikka syotetyn sulan matriisiseoksen måårån 20 tulisi olla riittåvå sallimaan spontaanin tunkeutumisen eteneminen ainakin oleellisesti tåyteaineen låpåisevån massan rajapintoihin (ts. estopintoihin) saakka, varasto-låhteesså olevan seoksen måårå voisi ylittåå sellaisen riittåvån måårån niinf ettå on olemassa riittåvå måårå 25 seosta tunkeutumisen loppuun saattamiseksi, ja sen lisåksi ylimååråinen sula metalliseos voisi jåådå ja kiinnittyå metallimatriisi-komposiittikappaleeseen. Kun siten låsnå on ylimåårå sulaa seosta, tuloksena oleva kappale on kompleksinen komposiittikappale (esim. makrokomposiitti), 30 jossa metallimatriisin låpitunkema keraamikappale suoraan sitoutuu varastolåhteeseen jååvåån ylimååråiseen metal-liin.
Jokainen edellå selitetyistå rinnakkais-metallimat-35 riisihakemuksista kuvaa menetelmiå metallimatriisi-kom-posiittikappaleiden tuottamiseksi sekå uusia metallimat-riisi-komposiittikappaleita, joita niillå tuotetaan.
12 '.Λ y i ύ ο ^ Tåmån patenttihakemuksen sisålto liittyy myos toiseen rin-nakkaiseen patenttihakemukseemme, joka koskee uuden keraa-mimatriisikomposiittiaineen muodostamista (johon jåljempånå joskus viitataan rinnakkais-keraamimatriisi-patenttihake-5 muksena).
Erityisesti kåånteismuoto-kopiointimenetelmåå keraainisen komposiittiesineen tekemiseksi kuvataan US-patenttihakemuk-sessamme 823,542, nimityksellå "Kåånteismuoto-kopiointime-10 netelmå keraamisten komposiittiesineiden valmistamiseksi sekå sillå aikaansaatuja esineitå", joka nyt on hyvåksytty Yhdysvalloissa (vrt. EP-hakemus 0234704). Tåsså patentti-hakemuksessa esitetyn menetelmån mukaisesti muotoiltu pe-rusmetalli upotetaan mukautuvan tåyteaineen petiin, ja muo-15 toiltu perusmetalli saatetaan muodostamaan hapetusreaktio-tuotetta, joka kasvaa mukautuvan tåyteaineen petiin, tuot-taen tuloksena keraainisen komposiittikappaleen, jossa on muotoiltu onkalo, joka oleellisesti vastaa alkuperåisen muotoillun perusmetallin muotoa.
20
Keksinnon mukaiselle menetelmålle metallimatriisikomposii-tin valmistamiseksi on tunnusomaista se, ettå muodostetaan matriisimetallivalanne, joka ainakin osittain vastaa kom-posiittiin muodostettavan ontelon haluttua muotoa; ympårdi-25 dåån valanne ainakin osittain oleellisesti reagoimattomalla tåyteaineella; kuumennetaan valannetta siten, ettå mat-riisimetalli sulaa; saatetaan tunkeutumisen ediståjå ja/tai tunkeutumisen ediståjån edeltåjå sekå tunkeutumisatmosfååri kosketukseen matriisimetallin ja/tai tåyteaineen kanssa; ja 30 saatetaan mainittu sula matriisimetalli spontaanisti tun-keutumaan ainakin tåyteaineen osaan siten, ettå tunkeutumisen seurauksena saatavaan komposiittiin syntyy ontelo va-lanteen kohdalle.
35 Keksinnån mukaisen prosessin jossakin vaiheessa tåyteaine voi muodostua itsekantavaksi. Erityisesti tåyteaineen lå-påisevå massa voi tulla itsekantavaksi siten, ettå se altis v i ?,- o 13 " ‘ tetaan korkealle låmpotilalle ja/tai sidosaineelle ja/tai reagoivalle aineelle tms. Lisåksi pidetåån edullisena, et-tå låpåisevå tåyteaine on riittåvån mukautuvaa mååråtyllå 5 kuumennusalueella, niin ettå se voi sopeutua mahdolliseen itsenså ja muotoillun matriisimetallin våliseen differen-tiaaliseen låmpdlaajenemiseen sekå mahdolliseen muotoillun matriisimetallin sulamispisteesså tapahtuvaan tilavuusmuu-tokseen.
10
Edullisessa suoritusmuodossa lisåksi ainakin tukivyohyk-keessåån, joka ympåroi muotoiltua matriisimetallia, tåyteaine voi olla itsesitoutuvaa, edullisesti låmpotilassa, joka on muotoillun matriisimetallin sulamispisteen ylåpuo-15 lella mutta edullisesti jonkin verran låhellå sitå låmp6-tilaa, jossa matriisimetalli alkaa sulaa.
Toisessa edullisessa suoritusmuodossa tåyteaine lisåksi tulee itsekantavaksi, johtuen reaktiosta sellaisen kom-20 ponentin kanssa (esim. tunkeutumisatmosfååri) , joka ainakin spontaanin prosessin jossakin vaiheessa kohdistuu tåyteai-neeseen.
Samalla kun sula matriisimetalli spontaanisti tunkeutuu 25 tåyteaineeseen, muodostuu tåyteaineeseen onkalo, joka ainakin osittain vastaa muotoillun matriisimetallin muotoa (ts. muodostuneessa metallimatriisikomposiittikappaleessa on onkalo).
30 Erååsså edullisessa suoritusmuodossa tåyteaine voi sisål-tåå tunkeutumisen ediståjån edeltåjåå. Tåyteaine voidaan sen jålkeen saattaa kosketukseen tunkeutumisatmosfåårin kanssa, niin ettå muodostuu tunkeutumisen ediståjåå ainakin osassa tåyteainetta. Sellainen tunkeutumisen ediståjå 14 91332 voidaan muodostaa ennen tai oleellisesti jatkuvasti sulan matriisimetallin koskettaessa tåyteainetta. Lisaksi voidaan tunkeutumisatmosfååri jårjestaa oleellisesti koko spontaanin tunkeutumisprosessin ajaksi, jolloin se voi olla 5 yhteydesså tåyteaineeseen, tai vaihtoehtoisesti se voi olla yhteydesså tåyteaineeseen ja/tai matriisimetalliin vain osan spontaanin tunkeutumisen ajasta. Lopuksi, ainakin spontaanin tunkeutumisen aikana, tunkeutumisen ediståjåa tulisi olla ainakin osassa tayteaineeseentta.
10
Eraasså toisessa edullisessa keksinnon suoritusmuodossa voidaan tunkeutumisen ediståjån edeltåjån sydttamisen sijasta syottåå tunkeutumisen ediståjaå ainakin yhteen, tåyteaineeseen tai esimuottiin, ja/tai matriisimetalliin 15 ja/tai tunkeutumisatmosfåariin. Lopuksi jalleen, ainakin spontaanin tunkeutumisen aikana tunkeutumisen ediståjan tulisi sijaita ainakin osassa tåyteainetta.
Huomattakoon, ettå tåmå hakemus kåsittelee pååasiassa 20 alumiinimatriisimetalleja, jotka jossain metallimatriisi- komposiittikappaleen muodostumisen aikana ovat kosketuk-sessa magnesiumiin, joka toimii tunkeutumisen ediståjån edeltåjånå, tunkeutumisatmosfåårinå toimivan typen låsnå-ollessa. Siten alumiini/magnesium/typpi-jårjestelmån mat-25 riisimetalli/tunkeutumisen ediståjån edeltåjå/tunkeutu- misatmosfååri-jårjestelmållå esiintyy spontaania tunkeutumista. Monet muut matriisimetalli/tunkeutumisen ediståjån edeltåjå/tunkeutumisatmosfååri-jårjestelmåt voivat kuitenkin kåyttåytyå samantapaisesti kuin alumii-30 ni/magnesium/typpi-jårjestelmå. Seunantapaista spontaania ·. tunkeutumiskåyttåytymistå on havaittu alumiini/stron- * tium/typpi-jårjestelmåsså; alumiini/sinkki/happi-jårjes-telmåsså; sekå alumiini/kalsium/typpi-jårjestelmåsså. Vastaavasti, vaikka tåsså hakemuksessa kåsitellåån aino-35 astaan tåsså viitattuja jårjestelmiå, on ymmårrettåvå, ettå muut metallimatriisi/tunkeutumisen ediståjån edeltå- • « li 91 o c 2 15 jå/tunkeutumisatmosfååri-jårjestelmåt voivat kåyttåytyå samantapaisesti.
Matriisimetallin kasittaesså alumiiniseosta, saatetaan 5 alumiiniseos kosketukseen tayteaineeseen (esim. alu- miinioksidi- tai piikarbidihiukkasia), jolloin tayteaineeseen on sekoitettu magnesiumia, ja/tai jolloin se saatetaan magnesiumin vaikutuksen alaiseksi prosessin jossakin koh-dassa. Erååsså edullisessa suoritusmuodossa alumiiniseos 10 ja/tai esimuotti tai tayteaine pidetaan lisåksi typpiat-mosfåårissa ainakin prosessin osan aikana. Esimuotissa esiintyy spontaania tunkeutumista, ja spontaanin tunkeu-tumisen ja metallimatriisin muodostumisen måårå tai nopeus vaihtelevat annetun prosessiolojen jårjestelyn mukaisesti, 15 johon sisåltyy esimerkiksi jårjestelmåån (esim. alu- miiniseokseen ja/tai tayteaineeseen ja/tai tunkeutumisat-mosfaariin) tuotetun magnesiumin pitoisuus, tåyteaineen hiukkasten koko ja/tai koostumus, typen pitoisuus tunkeu-tumisatmosfaårisså, aika jona tunkeutumisen annetaan 20 esiintya, ja/tai låmpotila, jossa tunkeutuminen esiintyy. Spontaania tunkeutumista esiintyy tyypillisesti niin suu-ressa maarin, etta se riittåå oleellisen tåydellisesti ymparoimåan tayteaineen.
25 Maaritelmia "Alumiini" merkitsee ja sisaltåå tasså kåytettynå oleel-lisesti puhtaan metallin (esim. suhteellisen puhtaan, kaupallisesti saatavan seostéimattoman alumiinin) tai me-30 tallin ja metalliseosten muita laatuja, kuten kaupallisesti .. saatavat metallit, joissa on epåpuhtauksia ja/tai jotka sallivat siina olevan sellaisia ainesosia, kuten rautaa, piitå, kuparia, magnesiuma, mangaania, kromia, sinkkia, jne. Tåmån mååritelman tarkoituksiin oleva alumiiniseos on 35 seos tai metallien muodostama yhdiste, jossa alumiini on pååainesosana.
• · 16 5: 532 "Ei-hapettavan kaasun loppuosa" merkitsee tåsså kåytettynå sitå, etta tunkeutumisatmosfåarin muodostavan primååri-kaasun lisåna oleva mikå tahansa kaasu on joko inerttiå kaasua tai pelkiståvåå kaasua, joka oleellisesti ei reagoi 5 matriisimetallin kanssa prosessin olosuhteissa. Kaikkien kaasussa (kaasuissa) epåpuhtautena mahdollisesti låsna olevien hapettavien kaasujen måårån tulisi olla riittåmåton matriisimetallin hapettamiseen missåån oleellisessa måårin prosessin olosuhteissa.
10 "Estoaine" tai "estovåline" merkitsee tåsså kåytettynå mitå tahansa soveltuvaa vålinettå, joka vuorovaikuttaa, eståå, torjuu tai lopettaa sulan matriisimetallin kulkeutumisen, siirtymisen tai vastaavan, tåyteainemassan tai esimuotin 15 rajapinnan taakse, jolloin mainittu estovåline måårittelee sellaisen rajapinnan. Sopivia estovålineitå voivat olla mitkå tahansa aineet, yhdisteet, alkuaineet, koostumukset tai vastaavat, jotka prosessin olosuhteissa yllåpitåvåt jonkinasteisen eheyden eivåtkå ole oleellisesti haihtuvia 20 (ts. estoaine ei haihdu niin paljon, etta siitå tulisi estoaineena hyodyton).
Lisåksi sopivat "estovålineet" sisåltåvåt aineita, joita kulkeutuva sula matriisimetalli kåytetyn prosessin aikana 25 ei oleellisesti pysty kostuttamaan. Tåmån tyyppisellå estoaineella nåyttåå olevan oleellisen våhån tai ei lainkaan yhtymispyrkimystå sulaan matriisimetalliin, ja estovåline eståå tai torjuu siirtymisen tåyteainemassan tai esimuotin mååritellyn rajapinnan yli. Estoaine våhentåå 30 mahdollista loppukoneistusta tai hiomista, jota voidaan tarvita, ja måårittelee ainakin osan tuloksena olevan metallimatriisi-komposiittituotteen pinnasta. Estoaine voi mååråtyisså tapauksissa olla låpåisevåå tai huokoista, tai se voidaan saattaa låpåisevåksi esimerkiksi poraamalla 35 reikiå estoaineeseen tai låviståmållå se, niin ettå kaasu pååsee kosketukseen sulan matriisimetallin kanssa.
* » i, 91 832 17 "Jåånnokset" tai "matriisimetallin jåånnokset" viittaa tåsså kåytettynå alkuperåisen matriisimetallirungon mah-dolliseen osaan, joka jåå jaljelle ja joka ei ole kulunut metallimatriisi-komposiittikappaleen muodostuksen aikana, 5 ja tyypillisesti, jos sen annetaan jååhtyå, pysyy ainakin osittaisessa kosketuksessa muodostettuun metallimatriisi-komposiittikappaleeseen. Tulisi ymmårtåå, ettå jåånnokset voivat myos sisåltåå toista tai vierasta ainetta.
10 "Onkalo" merkitsee tåsså kåytettynå mitå tahansa tyhjåå tilaa massassa tai kappaleessa (esim. metallimatriisikom-posiitissa), eikå se rajoitu mihinkåån mååråttyyn tilan muotoon, ja se sisåltåå sekå avoimet ettå suljetut tilat. Onkalo voi erityisesti sisåltåå sellaisia tiloja, jotka 15 eivåt lainkaan ole yhteydesså onkalon sisåltåvån massan tai kappaleen ulkopuolelle, kuten esimerkiksi sellainen onkalo joka rajoittaa onton kappaleen sisåtilan. Lisåksi onkalo voi olla sellainen tila, joka avautuu massan tai kappaleen ulkopuolella olevaan pintaan, kuten esimerkiksi 20 aukon tai kanavan kautta.
"Tåyteaine" on tåsså kåytettynå tarkoitettu sisåltåmåån joko yksittåisiå aineksia tai ainesseoksia, jotka oleel-lisesti eivåt reagoi matriisimetallin kanssa ja/tai joilla 25 on rajoitetu liukenevuus matriisimetalliin, ja jotka voivat olla yksi- tai useampifaasisia. Tåyteaineita voidaan jårjeståå lukuisissa eri muodoissa, kuten jauheina, lius-koina, hiutaleina, mikropalloina, kuitukiteinå, kuplina, jnef ja ne voivat olla joko tiiviitå tai huokoisia.
30 Tåyteaine voi myos sisåltåå keraamisia tåyteaineita, kuten alumiinioksidia tai piikarbidia kuituina, leikattuina kuituina, hiukkasina, kuitukiteinå, kuplina, kuulina, kuitumattoina, tai vastaavina, ja påållystettyjå tåyteaineita, kuten hiilikuituja, jotka on påållystetty alu-35 miinioksidilla tai piikarbidilla hiilen suojaamiseksi esim. sulan matriisimetalli-alumiinin syovyttåvåltå vai- 91 632 18 kutukselta. Tåyteaineet voivat myos kåsittåå metalleja misså tahansa muodossa.
"Tunkeutumisatmosfååri" tåsså kåytettynå tarkoittaa sita 5 atmosfååriå, joka on låsnå ja joka vuorovaikuttaa mat-riisimetallin ja/tai esimuotin (tai tåyteaineen) ja/tai tunkeutumisen ediståjån edeltåjån ja/tai tunkeutumisen ediståjån kanssa ja sallii tai ediståå matriisimetallin spontaanin tunkeutumisen esiintymisen.
10 "Tunkeutumisen ediståjå" merkitsee tåsså kåytettynå ainet-ta, joka ediståå tai avustaa matriisimetallin spontaania tunkeutumista tåyteaineeseen tai esimuottiin. Tunkeutumisen ediståjå voidaan muodostaa esimerkiksi tunkeutumisen 15 ediståjån edeltåjån reaktiolla tunkeutumisatmosfåårin kanssa 1) kaasun ja/tai 2) tunkeutumisen ediståjån edeltåjån ja tunkeutumisatmosfåårin reaktiotuotteen ja/tai 3) tunkeutumisen ediståjån edeltåjån ja tåyteaineen tai esimuotin reaktiotuotteen muodostamiseksi. Lisåksi tunkeu-20 tumisen ediståjåå voidaan syottåå suoraan ainakin yhteen seuraavista: esimuottiin/ ja/tai matriisimetalliin, ja/tai tunkeutumisatmosfååriin; ja se voi toimia oleellisesti samalla tavalla kuin tunkeutumisen ediståjå, joka on muodostunut tunkeutumisen ediståjån edeltåjån ja jonkin 25 toisen aineen reaktiona. Lopuksi ainakin spontaanin tunkeutumisen aikana tunkeutumisen ediståjån tulisi sijaita ainakin osassa tåyteainetta tai esimuottia spontaanin tunkeutumisen aikaansaamiseksi.
30 "Tunkeutumisen ediståjån edeltåjå" merkitsee tåsså kåytettynå ainetta, joka yhdesså matriisimetallin, esimuotin ja/tai tunkeutumisatmosfåårin kanssa kåytettynå muodostaa tunkeutumisen ediståjån, joka aiheuttaa tai avustaa matriisimetallin spontaania tunkeutumista tåyteaineeseen tai 35 esimuottiin. Haluamatta sitoutua mihinkåån mååråttyyn teoriaan tai selitykseen, vaikuttaa siltå, ettå tunkeutumisen ediståjån edeltåjåå pitåisi pystyå asettamaan, sen li
7 ! Ο Ο I
19 pitaisi sijaita tai sitå pitaisi voida kuljettaa sellaiseen kohtaan, joka sallii tunkeutumisen ediståjån edeltåjån olla vuorovaikutuksessa tunkeutumisatmosfåarin kanssa ja/tai esimuotin tai tåyteaineen ja/tai metallin kanssa. Eråisså 5 matriisimetalli/tunkeutumisen ediståjån edeltåjå/tunkeu- tumisatmosfååri-jårjestelmisså on esimerkiksi toivotta-vaa, ettå tunkeutumisen ediståjån edeltåjå hoyrystyy siinå låmpotilassa jossa matriisimetalli sulaa, tåmån låmpotilan låhellå, tai eråisså tapauksissa jopa jonkinverran tåmån 10 låmpotilan ylåpuolella. Sellainen hoyrystyminen saattaa johtaa: 1) tunkeutumisen ediståjån edeltåjån reaktioon tunkeutumisatmosfåarin kanssa sellaisen kaasun muodostamiseksi, joka ediståå tåyteaineen tai esimuotin kostutta-mista matriisimetallilla; ja/tai 2) tunkeutumisen edistå-15 jån edeltåjån reaktioon tunkeutumisatmosfåårin kanssa sellaisen kiinteån aineen, nesteen tai kaasun muodossa olevan tunkeutumisen ediståjån muodostamiseksi ainakin tåyteaineen tai esimuotin osassar joka ediståå kostutta-mista; ja/tai 3) sellaiseen tunkeutumisen ediståjån edel-20 tåjån reaktioon tåyteaineessa tai esimuotissa, joka muo- dostaa kiinteån aineen, nesteen tai kaasun muodossa olevan tunkeutumisen ediståjån ainakin tåyteaineen tai esimuotin osassa, joka ediståå kostuttamista.
25 "Matriisimetalli" tai "matriisimetalliseos" merkitsevåt tåsså kåytettynå sitå metallia, jota kåytetåån metallimat-riisikomposiitin muodostamiseksi (esim. ennen tunkeutumis-ta) ja/tai sitå metallia, joka sekoittuu tåyteaineeseen metallimatriisi-komposiittikappaleen muodostamiseksi 30 (esim. tunkeutumisen jålkeen). Kun matriisimetalliksi ; nimetåån mååråtty metalli, on ymmårrettåvå, ettå sellainen matriisimetalli sisåltåå tåmån metallin oleellisesti puh-taana metallina, kaupallisesti saatavana metallina, jossa on epåpuhtauksia ja/tai seosaineita, metallien muodostaman 35 yhdisteenå tai seoksena, jossa tåmå metalli on pååasial-lisena osana.
i ! O o l 20 "Matriisimetalli/tunkeutumisen ediståjån edeltåjå/tunkeu-tumisatmosfååri-jårjestelmå" eli "spontaani jårjestelmå" viittaa tåsså kåytettynå siihen aineiden yhdistelmåån, jol la esiintyy spontaanla tunkeutumista esimuottiin ja 5 tåyteaineeseen. On ymmårrettåvå, ettå kun esimerkin matriisimetallin, tunkeutumisen ediståjån edeltåjån ja tun-keutumisatmosfåårin vålisså esiintyy merkki "/", sitå kåytetåån merkitsemåån jår jestelmåå tai aineiden yhdistel-måå, jolla sopivalla tavalla yhdisteltynå esiintyy spon-10 taania tunkeutumista esimuottiin tai tåyteaineeseen.
"Metallimatriisikomposiitti" eli "MMC" merkitsee tåsså kåytetynå ainetta, joka kåsittåå kaksi- tai kolmiulottei-sesti liittyneen seoksen tai matriisimetallin, joka pitåå 15 sisållåån esimuottia tai tåyteainetta. Matriisimetalli vox sisåltåå erilaisia seosalkuaineita, joilla aikaansaadaan erityisesti toivotut mekaaniset ja fysikaaliset ominaisuu-det tuloksena olevassa komposiitissa.
20 Matriisimetallista "poikkeava" metalli merkitsee metallia, joka ei sisållå pååasiallisena ainesosana samaa metallia kuin matriisimetalli (jos esimerkiksi matriisimetallin pååasiallisena osana on alumiini, niin "poikkeavan" metallin pååasiallisena osana voisi olla esimerkiksi nikkeli).
25 "Ei-reaktiivinen astia matriisimetallia vårten" merkitsee mitå tahansa astiaa, joka voi sisåltåå tåyteainetta ja/tai sulaa matriisimetallia prosessin oloissa, ja joka ei reagoi matriisin ja/tai tunkeutumisatmosfåårin ja/tai tunkeutu-30 misen ediståjån edeltåjån ja/tai tåyteaineen tai esimuotin kanssa sellaisella tavalla, joka oleellisesti huonontaisi spontaania tunkeutumismekanismia.
"Esimuotti" tai "låpåisevå esimuotti" merkitse tåsså 35 kåytettynå sellaista huokoista tåytemassaa tai tåyte-ainemassaa, joka valmistetaan ainakin yhdellå rajapinnal-la, joka oleellisesti måårittelee tunkeutuvalle mat- 21 91532 riisimetallille rajapinnan, kuten massaa, joka riittåvån hyvin pitåå ehjan muotonsa ja tuorelujuuden, niin ettå se aikaansaa mittapysyvyyden ennen kuin matriisimetalli tun-keutuu siihen. Massan tulisi olla riittavan huokoista, niin 5 ettå se sallii matriisimetallin spontaanin tunkeutumisen siihen. Tyypillisesti esimuotti kåsittåå sidotun ryhmån tai tåyteaineen jårjestelyn, joko homogeenisen tai epåho-mogeenisen, ja se vox kåsittåå mitå tahansa soveltuvaa ainetta (esim. keraamisia ja/tai metallihiukkasia, jauhei-10 ta, kuituja, kuitukiteitå, jne, sekå mitå tahansa nåiden yhdistelmåå). Esimuotti voi olla joko erillisenå tai kokoonpanona.
"Varastolåhde" tai varasto merkitsee tåsså kåytettynå 15 erillista matriisimetallin kappaletta, joka on sijoitettu tåyteainemassan tai esimuotin suhteen niin, ettå kun metalli sulaa, se voi virrata korvaamaan, tai eråisså tapauksissa alunperin aikaansaamaan ja sen jålkeen tåyden-tåmåån sitå matriisimetallin osaa, segmenttiå tai låhdettå, 20 joka koskettaa tåyteainetta tai esimuottia. Varastolåhdet-tå voidaan myos kåyttåå tuottamaan metallia, joka poikkeaa matriisimetallista.
"Muotoiltu matriisimetalli" tai "muotoiltu matriisimetal-25 livalanne" merkitsee tåsså kåytettynå matriisimetallia, joka on muotoiltu ennalta mååråttyyn malliin, joka esillå olevan keksinnon mukaisen prosessin olosuhteissa spon-taanisti tunkeutuu ympåroivåån tåyteaineeseen, muodostaen metallimatriisi-komposiitin, joka kåånteismuotoisesti ko-30 pioi rouotoillun matriisimetallin rakenteen ainakin osit-tain.
"Spontaani tunkeutuminen" merkitsee tåsså kåytettynå matriisimetallin tunkeutumista låpåisevåån tåyteainemassan 35 tai esimuottiin, joka tapahtuu vaatimatta paineen tai tyhjon kåyttåmistå (ei ulkoisesti kohdistettua eikå sisåi-sesti kehitettyå).
91 832 22
Seuraavat kuviot on jårjestetty keksinnon ymmårtåmisen tueksi, mutta niitå ei ole tarkoitettu rajoittamaan keksinnon suoja-alaa. Kaikissa kuvioissa on kaytetty mahdollisuuksien mukaan samoja viitenumeroita osoittamaan 5 samanlaisia osia, jolloin:
Kuvio 1 on kaaviollinen poikkileikkaus aineiden jarjes-telystå, joita kåytetåan esimerkin 1 mukaisesti? 10
Kuvio 2 on kaaviollinen poikkileikkaus aineiden jarjes-telystå, joita kåytetåan esimerkin 2 mukaises-ti; 15 Kuviot 3A ja 3B ovat valokuvia metallimatriisikomposii- tista, joka on tuotettu esimerkin 1 mukaisesti; ja
Kuviot 4A ja 4B ovat valokuvia metallimatriisikomposii-20 tista, joka on tuotettu esimerkin 2 mukaisesti.
Esillå oleva keksinto liittyy metallimatriisikomposiitin muodostamiseen, jossa oleva onkalo on muodostettu mat-riisimetallivalanteen muodon kopioimisprosessissa. Mat-25 riisimetallivalanne voidaan muotoilla ennalta mååråttyyn muotoon ja se voidaan ainakin osittain ympåroidå tayteai-neella.
Tåyteaine voi ympåroidå muotoiltua matriisimetallivalan-30 netta taydellisesti tai vain osittain, tai osa muotoillusta matriisimetallivalanteesta voi ulottua ulospåin tåyteai-neen ulkopuolelle. Sellainen muotoillun valanteen ulkoneva osa ei kuitenkaa kopioidu. Lisåksi voidaan kåyttåå myohem-min yksityiskohtaisemmin selitettåvåå estovålinettå ai-35 kaansaamaan pinnan ei-kopioituvan alueen, kun mainittu estovåline koskettaa ainakin osaa mainitun muotoillun , matriisimetallivalanteen pinnasta. Vastaavasti esillå ole- li 23 ‘i 'ί y i oo ; va keksinto sallii metallimatriisikomposiittien muodosta-misen, jotka kåånteisesti kopioivat muotoiltua matriisime-tallivalannetta misså tahansa toivotussa mååråsså.
5 Spontaanin tunkeutumisen aikaansaamiseksi tunkeutumisen ediståjå ja/tai tunkeutumisen ediståjån edeltåjå ja/tai tunkeutumisatmosfååri ovat yhteydesså tåyteaineeseen ai-nakin prosessin jossakin vaiheessa, joka sallii sulan metallimatriisin spontaanin tunkeutumisen tayteaineeseen.
10 Sellaisen aikaansaadun spontaanin tunkeutumisen jålkeen muodostuu metallimatriisi-komposiittikappaleeseen onkalo, joka ainakin osittain on komplementaarinen matriisimetal-livalanteen alkuperåisen muodon suhteen.
15 Matriisimetallin spontaanin tunkeutumisen aikaansaamiseksi tayteaineeseen tai esimuottiin, tulisi spontaaniin jårjestelmaan jarjeståå tunkeutumisen edistajå. Tunkeutumisen edistajå voisi muodostua tunkeutumisen ediståjån edeltåjåstå, joka voitaisiin jårjeståå 1) matriisimetal-20 liin, ja/tai 2) tåyteaineeseen, ja/tai 3) tunkeutumisat-mosfååristå, ja/tai 4) ulkoisesta låhteestå spontaaniin jårjestelmåån. Lisåksi, tunkeutumisen ediståjån edeltåjån sijasta voidaan tunkeutumisen ediståjåå syottåå suoraan ainakin joko tåyteaineeseen tai esimuottiin, ja/tai mat-25 riisimetalliin, ja/tai tunkeutumisatmosfååriin. Lopuksi, ainakin spontaanin tunkeutumisen aikana, tunkeutumisen ediståjå tulisi sijaita ainakin osassa tåyteainetta tai esimuottia.
30 Edullisessa suoritusmuodossa on mahdollista, ettå tunkeutumisen ediståjån edeltåjån voidaan ainakin osittain antaa reagoida tunkeutumisatmosfåårin kanssa, niin ettå tunkeutumisen ediståjå voidaan muodostaa ainakin osassa tåyteainetta ennen kuin tai oleellisesti samanaikaisesti kun 35 tåyteaine koskettaa sulaa matriisimetallia (esim. jos tunkeutumisen ediståjån edeltåjånå olisi magnesiumia ja tunkeutumisatmosfåårinå typpeå, niin tunkeutumisen edis- 24 91 832 tåjå voisi olla magnesiumnitridia, joka voisi sijaita ainakin osassa esimuottia tai tåyteainetta).
Esimerkkinå matriisimetalli/tunkeutumisen ediståjån edel-5 tåjå/tunkeutumisatmosfååri-jårjestelmåstå on alumiini/ magnesium/typpi-jårjestelmå. Erityisesti voidaan alu-miinimatriisimetallia oleva muotoiltu valanne upottaa sopivassa tulenkeståvåsså astiassa olevaan tåyteaineeseen, joka astia prosessioloissa ei reagoi alumiinimatriisime-10 tallin ja/tai tayteaineen kanssa, kun alumiini sulatetaan. Magnesiumia sisåltåvå tai sille altistettu tåyteaine, johon ainakin prosessin jossakin vaiheessa kohdistetaan typpiat-mosfååri, voidaan saattaa kosketukseen sulan alumiinimat-riisimetallin kanssa. Matriisimetalli tunkeutuu talloin 15 spontaanisti tåyteaineeseen.
Niisså oloissa, joita kåytetåån esillå olevan keksinnon mukaisessa menetelmåsså, alumiini/magnesium/typpi-spon-taanissa tunkeutumisjarjestelmån tapauksessa tayteaineen 20 tulisi olla riittåvån låpåisevåå, jotta typpeå sisaltavå kaasu voisi tunkeutua tåyteaineeseen prosessin jonkin vaiheen aikana ja/tai koskettaa sulaa matriisimetallia. Lisåksi låpaisevåsså tåyteaineessa voi tapahtua sulan matriisimetallin tunkeutumista, jolloin aiheutuu sulan 25 matriisimetallin spontaani tunkeutuminen typen låpåisemåån tåyteaineeseen, niin ettå se muodostaa metallimatriisi-komposiittikappaleen ja/tai sattaa typen reagoimaan tunkeutumis en ediståjån edeltåjån kanssa tunkeutumisen edis-tåjån muodostamiseksi tåyteaineeseen aiheuttaen nåin 30 spontaanin tunkeutumisen. Spontaanin tunkeutumisen måårå .. tai nopeus ja metallimatriisikomposiitin muodostuminen vaihtelevat prosessiolojen annetun yhdistelmån mukaisesti, joita ovat mm. magnesiumin måårå alumiiniseoksessa, mag-nesiumin måårå tåyteaineessa, magnesiumnitridin måårå 35 tåyteaineessa, muiden seosalkuaineiden (esim. pii, rauta, kupari, mangaani, kromi, sinkki, ja vastaavat) låsnåolo, tayteaineen keskimååråinen koko (esim. hiukkashalkaisija), 25 9 1 8 3 2 tåyteaineen pintatila ja tyyppi, tunkeutumisatmosfåårin typpipitoisuus, tunkeutumiselle annettu aika ja låmpotila, jossa tunkeutuminen tapahtuu. Annettaessa esimerkiksi sulan alumiinimatriisimetallin tunkeutumisen tapahtua 5 spontaanisti, voidaan alumiini seostaa ainakin noin 1 painoprosentilla, ja edullisestl ainakin noin 3 paino-prosentilla magnesiumia (joka toimii tunkeutumisen edis-tåjån edeltåjånå), seoksen painoon verrattuna. Muita lisåseosalkuaineita, kuten edellå on selitetty, voidaan 10 myos sisåltåå matriisimetalliin sen erityisten ominaisuuk-sien rååtåloimiseksi. Lisaksi lisaseosalkuaineet voivat vaikuttaa matriisin alumiinimetallissa tarvittavan mag-nesiumin mååråån, niin ettå se johtaa spontaaniin tunkeu-tumiseen tåyteaineeseen. Magnesiumin håviåmistå spon-15 taanista jår jestelmåstå, esimerkiksi hoyrystymisen vuoksi, ei saisi tapahtua niin suuressa måårin, ettei magnesiumia ole låsnå muodostamaan tunkeutumisen ediståjåå. Siten on toivottavaa, ettå aluksi kåytetåån riittåvåå seosalkuai-neiden mååråå jotta spontaani tunkeutuminen voisi tapahtua 20 hoyrystymisen sitå haittaamatta. Lisåksi magnesiumin lås-nåolo sekå tåyteaineessa ettå matriisimetallissa tai pelkåståån tåyteaineessa voi johtaa magnesiumin spontaania tunkeutumista vårten vaadittavan måårån pienenemiseen (jota selitetåån yksityiskohtaisemmin alempana).
25
Typpiatmosfåårisså olevan typen måårå vaikuttaa myos metallimatriisi-komposiittikappaleen muodostumisnopeu-teen. Erityisesti jos atmosfåårisså on alle 10 tilavuus-prosenttia typpeå, niin spontaania tunkeutumista esiintyy 30 hyvin hitaasti tai hyvin våhån. On havaittu, ettå on ·· edullista kun tunkeutumisatmosfåårisså on ainakin 50 tilavuusprosenttia typpeå, jolloin aikaansaadaan lyhyempiå tunkeutumisaikoja paljon suuremmasta tunkeutumismååråstå johtuen. Tunkeutumisatmosfååri (esim. typpeå sisåltåvå 35 kaasu) voidaan syottåå suoraan tåyteaineseen tai esimuot-tiin ja/tai matriisimetalliin, tai se voidaan tuottaa aineen hajoamisen tuloksena.
« · η ί — r\ 26 ^ ^ ^ ^
Sulan matriisimetallin tåyteaineseen tai esimuottiin tun-keutumisen aikaansaamiseksi vaadittavan magnesiumin våhim-måismåårå rilppuu yhdestå tai useammasta tekijåstå, kuten prosessin låmpotilasta, ajasta, muiden lisåseosalkuainei-5 den kuten piin tai sinkin låsnåolosta, tayteaineen luon-teesta, magnesiumin sisåltymisestå yhteen tai useampaan spontaanin jarjestelman osaan, atmosfåarin typpisisållos-tå, ja typpiatmosfåårin virtausmååråstå. Voidaan kåyttåå alempia låmpdtiloja tai lyhyempiå kuumennusaikoja tåydel-10 lisen tunkeutumisen aikaansaamiseksi, kun seoksen ja/tai tayteaineen magnesiumpitoisuutta nostetaan. Samaten anne-tulla magnesiumpitoisuudella mååråttyjen lisåseosalkuai-neiden, kuten sinkin lisååminen mahdollistaa alempien låmpotilojen kåyttåmisen. Esimerkiksi matriisimetallin 15 magnesiumpitoisuutta toimivan alueen alapååsså, esim vå-lillå noin 1-3 painoprosenttia, voidaan kåyttåå yhdesså ainakin jonkin seuraavien kanssa: våhimmåisprosessilåmpo-tilan ylittåvå låmpotila, suuri typpipitoisuus, yksi tai useampia lisåseosalkuaineita. Ellei tåyteaineeseen lisåtå 20 lainkaan magnesiumia, pidetåån vålillå noin 3-5 painoprosenttia magnesiumia sisåltåviå seoksia edullisina, johtuen niiden yleisestå kåytettåvyydestå laajoilla pro-sessiolojen alueilla, jolloin ainakin 5 painoprosenttia pidetåån edullisena kåytettåesså alempia låmpotiloja ja 25 lyhyempiå aikoja. Alumiiniseoksessa voidaan kåyttåå 10 painoprosentin ylittåviå magnesiumpitoisuuksia tunkeutu-miseen vaadittavien låmpotilaolojen muuntelemiseksi. Magnesiumpitoisuutta voidaan pienentåå muiden seosalkuainei-den yhteydesså, mutta nåmå alkuaineet palvelevat ainoastaan 30 lisåtoimintoja, ja niitå kåytetåån edellå mainitun mag nesiumin minimimåårån tai sen ylittåvån måårån kanssa. Esimerkiksi oleellisesti mitåån tunkeutumista ei esiinty-nyt nimellisesti puhtaalla alumiinilla, jota oli seostettu vain 10 % piillå, 1000°C låmpotilassa, alustaan 39 Crystolon 35 (99 % puhdasta piikarbidia Morton Co:lta), jonka raekoko oli 500 mesh (mesh = seulan aukkojen lukumåårå tuumaa kohti). Magnesiumin låsnåollessa pii voi kuitenkin edis- li Q 1 7 i UwZ 27 tåvåå tunkeutumisprosessia. Toisena esimerkkina mag-nesiumin måårå muuttuu, jos sitå syotetåån yksinomaan tåyteaineeseen. On havaittu, ettå spontaani tunkeutuminen tapahtuu, kun spontaaniin jårjestelmåån syotetåån pienempi 5 painoprosentti magnesiumia, jos ainakin jokin måårå syo-tetyn magnesiumin kokonaismååråstå sijoitetaan tayteaineeseen. Saattaa olla toivottavaa, ettå magnesiumia jårjes-tetåån pienempi måårå, jotta våltettåisiin ei-toivottujen metalliyhdisteiden syntyminen metallimatriisi-komposiit-10 tikappaleeseen. Esimuotin ollessa piikarbidia on havaittu, ettå matriisimetalli tunkeutuu spontaanisti esimuottiin, kun esimuotti saatetaan kosketukseen alumiinimatriisime-tallin kanssa, esimuotin sisåltåesså ainakin 1 paino-prosenttia magnesiumia ja oleellisesti puhtaan typpiatmos-15 fåårin låsnåollessa. Alumiinioksidi-esimuotin tapauksessa hyvåksyttåvån spontaanin tunkeutumisen saavuttamiseksi vaadittu magnesiumin måårå on hieman suurempi. Erityisesti on havaittu, ettå kun samantapainen alumiinimatriisimetal-li saatetaan koskettamaan alumiinioksidi-esimuottia liki-20 main samassa låmpotilassa kuin alumiini, joka tunkeutui piikarbidi-esimuottiin, ja saman typpiatmosfåårin låsnåollessa, niin saatetaan tarvita ainakin noin 3 paino-prosenttia magnesiumia samanlaisen spontaanin tunkeutumisen aikaansaamiseksi, kuin se joka saavutettiin juuri 25 edellå kuvatun piikarbidi-esimuotin yhteydesså.
On myos havaittu, ettå on mahdollista syottåå spontaaniin jårjestelmåån tunkeutumisen ediståjån edeltåjåå ja/tai tunkeutumisen ediståjåå seoksen pinnalle ja/tai tåyteai-30 neen pinnalle ja/tai tåyteaineeseen ennen kuin matriisime-tallin annetaan tunkeutua tåyteaineeseen (ts. saattaa olla, ettei syotettyå tunkeutumisen ediståjån edeltåjåå tai tunkeutumisen ediståjåå tarvitse seostaa matriisimetal-liin, vaan ettå sitå yksinkertasiesti syotetåån spontaaniin 35 jår jestelmåån). Jos magnesiumia levitettåisiin matriisime- tallin pinnalle, saattaa olla edullista, ettå mainittu pinta olisi se pinta, joka on låhimpånå tai edullisesti • » 28 9 1 8 3 2 kosketuksessa tåyteaineen lapaisevaan massaan tai påinvas-toin; tai sellaista magnesiumia voitaisiin sekoittaa ainakin tayteaineen osaan. Lisåksi on mahdollista, ettå pinnalle levittåmisen, seostamisen ja magnesiumin sijoit-5 tamisen ainakin tåyteainen osaan, joitakin yhdistelmiå voitaisiin kåyttåå. Sellaiset yhdistelmåt tunkeutumisen edistajån (edistajien) ja/tai tunkeutumisen ediståjån edeltajån (edeltåjien) levittamisessa saattaisivat johtaa alumiinimatriisimetallin tåyteaineeseen tunkeutumisen 10 edistamiseen vaadittavan magnesiumin kokonaispaino- prosenttimåårån pienenemiseen, samoinkuin alempien larnpo-tilojen saavuttamiseen, joissa tunkeutumista voi esiintyå. Lisåksi magnesiumin låsnåolosta johtuva metallien epåtoi-vottujen keskinåisten yhdisteiden muodostuminen voitaisiin 15 myos minimoida.
Yhden tai useamman lisåseosalkuaineen kåyttåminen ja ympåroivån kaasun typpipitoisuus vaikuttavat myos mat-riisimetallin nitrautumiseen annetussa lampotilassa. Esi-20 merkiksi voidaan muotoiltuun seokseen sisållyttåå tai muotoillun seoksen pinnalle levittåå sellaisia lisåseosal-kuaineita kuin sinkkiå tai rautaa tunkeutumislåmpotilan alentamiseksi ja siten muodostuvan nitridin måårån pienen-tåmiseksi, kun taas kaasussa olevan typen pitoisuuden 25 lisååmistå voitaisiin kåyttåå nitridin muodostumisen edis-tamiseen.
Seoksessa olevan ja/tai seoksen pinnalle levitetyn ja/tai tåyteaineeseen yhdistetyn magnesiumin pitoisuus pyrkii 30 myos vaikuttamaan tunkeutumisen mååråån annetussa låmpo- tilassa. Vastaavasti eråisså tapauksissa, joissa pieni måårå tai ei lainkaan magnesiumia saa olla kosketuksessa suoraan tåyteaineeseen, saattaa olla edullista, ettå ainakin 3 painoprosenttia magnesiumia sisållytetåån seok-35 seen. Tåtå arvoa pienemmåt seosmååråt, kuten 1 paino- prosentti magnesiumia, saattaa vaatia korkeammat proses-silåmpotilat tai lisåseosalkuaineita tunkeutumista vårten.
29 7 i 00/ Tåmån keksinnon spontaanin tunkeutumisprosessin toteutta-miseksi vaadittu låmpotila voi olla alempi: 1) kun yksinomaan seoksen magnesiumpitoisuutta nostetaan, esim. ainakin noin 5 painoprosenttiin; ja/tai 2) kun seostavia 5 aineita sekoitetaan tåyteaineen låpåisevåån massaan; ja/tai 3) kun alumiiniseoksessa on toista alkuainetta, kuten sinkkiå tai rautaa. Låmpotila voi myos vaihdella eri tåyteaineilla. Yleenså esiintyy spontaania ja etenevåå tunkeutumista prosessilåmpotilassa, joka on ainakin noin 10 675°C, edullisesti prosessilåmpotilassa, joka on ainakin noin 750 - 800°C. Yleenså yli 1200°C olevat låmpotilat eivåt nåytå ediståvån prosessia, ja erityisen kåyttokepoi-seksi låmpotilaksi on havaittu alue noin 675°C - noin 1200°C. Kuitenkin yleisenå sååntonå spontaanin tunkeutu-15 misen låmpotila on sellainen låmpotila, joka on matriisime-tallin sulamispisteen ylåpuolella mutta matriisimetallin hoyrystymislåmpotilan alapuolella. Lisåksi spontaanin tun-keutumisen låmpotilan tulisi olla tåyteaineen sulamispisteen alapuolella. Edelleen, kun låmpotilaa nostetaan, 20 kasvaa pyrkimys matriisimetallin ja tunkeutumisatmosfåårin vålisen reaktiotuotteen muodostamiseen (esim. alumiinimat-riisimetallin ja typpeå olevan tunkeutumisatmosfåårin tapauksessa saattaa muodostua alumiininitridiå) . Sellaiset reaktiotuotteet saattavat olla toivottavia tai ei-toivot-25 tuja, riippuen metallimatriisi-komposiittikappaleen aio-tusta kåytostå. Lisåksi tyypillisesti kåytetåån såhkovas-tuskuumennusta tunkeutmnislåmpotilojen saavuttamiseksi. Keksinnon yhteydesså kåytettåvåksi hyvåksytåån kuitenkin mikå tahansa kuumennusvåline, joka voi saattaa matriisime-30 tallin sulamaan ja joka ei vaikuta haitallisesti spon-taaniin tunkeutumiseen.
Esillå olevassa menetelmåsså esimerkiksi låpåisevå tåyte-aine saatetaan kosketukseen sulan alumiinin kanssa typpeå 35 sisåltåvån kaasun ollessa låsnå ainakin jossakin prosessin vaiheessa. Typpeå sisåltåvåå kaasua voidaan syottåå yllå-pitåmåån jatkuva kaasun virtaus kosketukseen ainakin joko • · > ϋθ2 30 tåyteaineeseen ja/tai sulaan alumiinimatriisimetalliin. Vaikkei typpeå sisåltåvån kaasun virtausmåårå ole kriit-tinen, pidetåan edullisena ettå virtausmåårå on riittava kompensoimaan nitridin muodostumisesta seosmatriisissa 5 johtuva mahdollinen typen håviåminen atmosfååristå, seka estamåan tai torjumaan ilman sisaan pååseminen, jolla voi olla hapettava vaikutus sulaan metalliin.
Metallimatriisikomposiitin muodostamismenetelmåå voidaan 10 soveltaa tåyteaineiden laajaan valikoimaan, ja tåyteainei-den valinta riippuu sellaisista tekijdista, kuten mat-riisiseoksesta, prosessin olosuhteista, sulan matriisi-seoksen reaktiivisuudesta tåyteaineen kanssa, tåyteaineen kyvysta mukailla muotoillun matriisimetallivalanteen muo-15 tosi, seka lopulliselle komposiittituotteelle haetuista ominaisuuksista. Kun matriisimetallina on esimerkiksi alumiini, lukeutuvat sopiviksi tåyteaineiksi a) oksidit, esim. alumiinioksidi, b) karbidit, esim. piikarbidi, c) boridit, esim. alumiinidodekaboridi, ja d) nitridit, esim.
20 alumiininitridi. Mikåli tåyteaine pyrkii ragoimaan sulan alumiinimatriisimetallin kanssa, tama voidaan ottaa huo-mioon minimoimalla tunkeutumisaika ja -lampotila tai jårjeståmalla reagoimaton påallystys tayteaineelle. Tåyteaine voi kåsittåå alustan, kuten hiiltå tai ei-keraamista 25 ainetta, jonka påållå on påallystys alustan suojaamiseksi syopymiseltå tai heikkenemiseltå. Sopivia påållysteitå ovat keraamisia, kuten oksidit, karbidit, boridit ja nitridit. Esillå olevassa menetelmåsså kåytettåviksi edul-lisina pidettyjå keraameja ovat mm. alumiinioksidi ja 30 piikarbidi hiukkasten, hiutaleiden, kuitukiteiden ja kui- .. tujen muodossa. Kuidut voivat olla epåjatkuvia (leikatussa muodossa) tai jatkuvan såikeen muodossa, kuten monisåikei-set langat. Lisåksi tåyteaine voi olla homogeeninen tai epahomogeeninen.
On myos havaittu, ettå mååråtyillå tåyteaineilla esiintyy suurempaa tunkeutumista suhteessa tåyteaineisiin, joilla • · 35 li 31 -. ί c o y i d o 2 on samantapainen kemiallinen koostumus. Esimerkiksi US-pa-tentissa 4,713,360 (nimitys "Uusia keraamisia aineita ja menetelmiå niiden valmistamiseksi” ) kuvatulla menetelmållå valmistetui11a murskatuilla alumiinioksidi-kappaleilla on 5 edulliset tunkeutumisominaisuudet verrattuna kaupallises-ti saatavilla oleviin alumiinioksidituotteisiin. Lisåksi rinnakkaisessa US-patenttihakemuksessa 819,397 (nimitys: "Komposiittikeraamisia esineitå ja niiden valmistus-menetelmå" ) esitetyllå menetelmållå tehdyillå murskatuilla 10 alumiinioksidikappaleilla on myos edulliset tunkeutumisominaisuudet verrattuna kaupallisesti saatavilla oleviin alumiinioksidituotteisiin. Edellå mainitut patentti-julkaisut esitetåån tåsså nimenomaisina viittauksina. Nåin olien on havaittu, ettå tåydellinen tunkeutuminen keraa-15 mista ainetta olevaan låpåisevåån massaan voi tapahtua alemmissa tunkeutumislåmpotiloissa ja/tai lyhyemmillå tun-keutumisajoilla kåyttåen puristettuja tai murskattuja kappaleita, jotka on valmistettu edellå mainittujen patentti julkaisujen mukaisella menetelmållå.
20 Tåyteaineen koko ja muoto voi olla mikå tahansa sellainen, joka vaaditaan komposiitin toivottujen ominaisuuksien saavuttamiseksi, ja joka voi noudattaa muotoillun mat-riisimetallivalanteen muotoja. Siten tåyteaine voi olla 25 hiukkasten, kuitukiteiden, hiutaleiden tai kuitujen muo-dossa, koska tåyteaineen muoto ei rajoita tunkeutumista. Voidaan kåyttåå muitakin muotoja, kuten kuulia, pieniå putkia, pellettejå, tulenkeståvåå kuitukangasta, ja vas-taavia. Lisåksi aineen koko ei rajoita tunkeutumista, 30 vaikka pienten hiukkasten massalla saatetaan tunkeutumisen loppuunviemiseksi tarvita korkeampi låmpotila tai pidempi aika kuin suuremmilla hiukkasilla. Lisåksi tåyteaineen tulisi tunkeutumista vårten olla sulaa matriisimetallia ja tunkeutumisatmosfååriå låpåisevåå).
Esillå olevan keksinnon mukainen menetelmå metallimatrii-si-komposiittikappaleiden muodostamiseksi ei edullisesti 35 « « 9 '1 5 i 2 32 ole riippuvainen paineen kåyttåmisestå sulan matriisime-tallin puristamiseksi tåyteainemassaan. Keksinto sallii oleellisesti yhtenaisten metallimatriisikomposiittien valmistamisen, joilla on suuri tilavuusosa tåyteainetta ja 5 pienl huokoisuus. Suurempia, suuruusluokkaa ainakin 50 % olevia tåyteaineen tilavuusosuuksia voidaan aikaansaada kåyttamalla alussa tåyteainemassaa, jolla on pienempi huokoisuus. Suurempia tilavuusosuuksia voidaan myos aikaansaada silloin, jos tåyteainemassa tiivistetåån tai 10 tehdåån muulla tavalla tiiviimmåksi, edellyttåen ettei mas s aa muuteta joko tåysin tiiviiksi suljetuin kennohuoko-sin tai tåysin tiiviiksi rakenteeksi, mikå eståisi sulan seoksen tunkeutumisen.
15 On havaittu, ettå alumiinin tunkeutumista ja matriisin muodostumista vårten keraamisen tåyteaineen ympårille voi keraamisen tåyteaineen kostutus alumiinimatriisimetallil-la olla tårkeå osa tunkeutumismekanismista. Lisåksi alhai-sissa prosessilåmpotiloissa esiintyy erittåin våhån tai 20 håviåvån våhån metallin nitridiksi muuttumista, jonka takia saadaan erittåin våhåinen epåjatkuva alumiininitridin faasi metallimatriisiin jakautuneena. Kun låhestytåån låmpotila-alueen ylåpååtå, tapahtuu kuitenkin todennakoi-semmin metallin nitridiksi muuttumista. Siten voidaan 25 sååtåå nitridifaasin osuutta metallimatriisissa muuttamal- la låmpotilaa, jossa tunkeutuminen tapahtuu. Ne mååråtyt låmpotilat, joissa nitridin muodostuminen tulee merkittå-våmmåksi, muuttuvat myos sellaisista tekijoistå riippuen, kuten kåytetty matriisin alumiiniseos ja sen måårå suh-30 teessa tåyteaineen mååråån, tåyteaineen måårå johon tunkeutumisen on tapahduttavaf sekå tunkeutumisatmosfåårin typpipitoisuus. Esimerkiksi alumiininitridin muodostumi-sen måårån uskotaan mååråtysså prosessilåmpotilassa kas-vavan, kun seoksen kyky tåyteaineen kostuttamiseen pienenee 35 ja kun atmosfåårin typpipitoisuus kasvaa.
9 i d 3 2 33
Sen vuoksi on mahdollista rååtåloidå metallimatriisin rakennetta komposiitin muodostuksen aikana, niin etta voidaan antaa tuloksena olevalle tuotteelle mååråtyt ominaisuudet. Annetulla jarjestelmallå voidaan prosessin 5 olosuhteet valita nitridin muodostuksen sååtåmiseksi. Alumiininitridiå sisåltavalla komposiittituotteella on eråitå ominaisuuksia, jotka voivat olla edullisia tuotteen suorituskyvylle tai parantaa niitå. Lisåksi alumiiniseok-sen spontaanin tunkeutumisen edullinen lampotila-alue voi 10 vaihdella kaytetystå tayteaineesta riippuen. Kun tåyteai-neena on alumiinioksidia, ei tunkeutumisen lampotilan tulisi ylittåå 1000°C, rnikali halutaan, ettei matriisin muovattavuus oleellisesti pienene merkittåvån nitridin muodostumisen johdosta. Lampotilan 1000°C ylittaviå lam-15 potiloja voidan kuitenkin kåyttåa, rnikali halutaan tuottaa komposiitti, jonka matriisilla on heikompi muovattavuus ja suurempi jaykkyys. Piikarbidiin tunkeutumista vårten voidaan kayttaå korkeampia, noin 1200°C lampotiloja, koska piikarbidia tåyteaineena kaytettåesså alumiiniseoksesta 20 syntyy vahemman nitridejå, kuin alumiinioksideja tåyteaineena kaytettåesså.
Lisåksi on mahdollista kåyttåå matriisimetallin varasto-låhdettå tåyteaineen tåydellisen tunkeutumisen varmista-25 miseksi ja/tai syottåå toista metallia, jolla on erilainen koostumus kuin matriisimetallin ensimmåisellå låhteellå. Eråisså tapauksissa voi erityisesti olla toivottavaa kåyttåå varastolåhteesså matriisimetallia, joka koostumuk-seltaan poikkeaa matriisimetallin ensimmåisestå låhteestå.
30 Jos esimerkiksi alumiiniseosta kåytetåån ensimmåisenå matriisimetallin låhteenå, niin varastolåhteen metallina voitaisiin kåyttåå nåennåisesti mitå tahansa toista metallia tai metalliseosta, joka on sulanut prosessilåmpotilas-sa. Sulat metallit ovat usein hyvin sekoittuvia toistensa 35 kanssa, mikå johtaisi varastolåhdemetallin sekoittumiseen matriisimetallin ensimmåiseen låhteeseen niin kauan kuin annetaan riittåvåsti aikaa sekoittumista vårten. Kåytet- i ! 001 34 tåesså ensimmåisen matriisimetallin lahteesta poikkeavan koostumuksen omaavaa varastolåhdemetallia, on siten mah-dollista rååtåloidå metallimatriisin ominaisuuksia eri-laisten toimintavaatimusten tåyttåmiseksi ja siten raatå-5 ldida metallimatriisikomposiitin ominaisuuksia.
Estovålinettå voidaan myos kåyttåå esilla olevan keksinnon yhteydesså. Taman keksinnon yhteydesså kåytettåva estova-line voi erityisesti olla mikå tahansa soveltuva valine, 10 joka vuorovaikuttaa, eståå ja lopettaa sulan matriisiseok-sen (esim. alumiiniseos) kulkeutumisen, siirtymisen tai vastaavan tåyteaineen maaritellyn rajapinnan ohi. Sopivia estovålineitå voivat olla mitka tahansa aineet, yhdisteet, alkuaineet, koostumukset tai vastaavat, jotka prosessin 15 olosuhteissa yllåpitavåt jonkinasteisen eheyden eivatka ole haihtuvia, ja jotka edullisesti ovat prosessissa kåytettya kaasua lapaiseviå, ja jotka samoin pystyvåt paikallisesti eståmåån, pysåyttåmåån, vuorovaikuttamaan, torjumaan, jne, jatkuvan tunkeutumisen tai rninka tahansa 20 muun siirtymisen tayteaineen maaritellyn rajapinnan ohi.
Soveltuvat estovålineet sisåltåvåt aineita, joita kulkeu-tuva sula matriisimetalli kaytetyn prosessin aikana ei oleellisesti pysty kostutteunaan. Taman tyyppisella esto-25 aineella nayttaa olevan oleellisen vahan tai ei lainkaan yhtymispyrkimysta sulaan matriisimetalliin, ja estovåline eståå tai torjuu siirtymisen tåyteainemassan mååritellyn rajapinnan yli. Estoaine våhentåå mahdollista loppukoneis-tusta tai hiomista, jota voidaan tarvita metallimatriisi-30 keraamikomposiittituotteella. Kuten edellå mainittiin, tulisi estoaineen edullisesti olla låpåisevåå tai huokois-ta, tai se voidaan saattaa låpåisevåksi esimerkiksi poraamalla reikiå estoaineeseen tai låviståmållå se, niin ettå kaasu paåsee kosketukseen sulan matriisimetallin 35 kanssa.
35 ' r-
? i ϋ 0 Z
Soveltuvia estoaineita, jotka ovat erityisen edullisia alumiinimatriisiseoksilla, ovat niitå, jotka sisåltåvåt hiiltå, erityisesti hiilen kiteiset allotrooppiset muodot, jotka tunnetaan grafiittina. Grafiittia ei oleellisesti 5 voida kostuttaa kuvatuissa prosessiolosuhteissa sulalla alumiiniseoksella. Erityisen edullinen grafiitti on gra-fiittinauhatuote, jota myydåån tuotenimellå Grafoil (R), jonka tavaramerkin haltija on Union Carbide. Tallå gra-fiittinauhalla on tiiviståviå ominaisuuksia, jotka eståvat 10 sulaa alumiiniseosta kulkeutumasta tåyteaineen mååritellyn rajapinnan ohi. Tåmå grafiittinauha on myos kuumuutta keståvå ja kemiallisesti inertti. Grafoil (R) -grafiitti-aine on taipuisaa, keståvåå, mukautuvaa ja joustavaa. Sitå voidaan valmistaa useissa muodoissa sopimaan esto-15 ainesovellutuksiin. Grafiittiestovålinettå voidaan kui-tenkin kåyttåå lietteenå tai tahnana tai jopa maalikalvona tåyteaineen rajapinnalla tai sen ympårillå. Grafoil (R) -tuotetta pidetåån erityisen edullisena, koska se on taipuisan grafiittiarkin muodossa. Kåytosså tåmå paperin 20 tapainen grafiitti yksinkertaisesti muovaillaan tåyteaineen ympårille.
Muita edullisia estoaineita alumiinimetallimatriisi-seok-siin tunkeutumista vårten typpiympåristosså ovat siirty-25 måmetalliboridit (esim. titaanidiboridi (TiB2)), joita sulat alumiinimetalliseokset eivåt tåtå ainetta mååråtyis-så prosessioloissa kåytettåesså pysty kostuttamaan. Tåmån tyyppisellå estoaineella prosessilåmpotilan ei tulisi ylittåå noin 875°C, koska muutoin estoaineen vaikutus 30 våhenee, ja itse asiassa korkeammassa låmpotilassa esiintyy tunkeutumista estoaineeseen. Siirtymåmetalliboridit ovat tyypillisesti hiukkasmuodossa (1-30 mikrometriå). Esto-aineet voidaan levittåå lietteenå tai tahnana edullisesti esimuotiksi muotoillun låpåisevån keraamisen tåyteaineen 35 massan rajapinnoille.
36
Λ 'i G "T O
y i De/
Alumiinimetallimatriisiseoksia vårten typesså muita kåyt-tokelpoisia estoaineita sisåltåvåt vaikeasti haihtuvia orgaanisia yhdisteitå, jotka levitetåån kalvona tai ker-roksena tåyteaineen ulkopinnalle. Poltettaessa typesså, 5 erityisesti tåmån keksinnon mukaisissa prosessioloissa, orgaaninen yhdiste hajoaa, jåttåen jålkeenså hiilinokikal-von. Orgaaninen yhdiste voidaan levittåå tavanomaisin keinoin, kuten maalaamalla, suihkuttamalla, upottamalla, jne.
10
Lisåksi voivat hienoksi jauhetut hiukkasmaiset aineet toimia estoaineena, jos hiukkasmaiseen aineeseen tunkeu-tuminen esiintyy nopeudella, joka on hitaampi kuin tunkeu-tumisnopeus tåyteaineeseen.
15
Siten voidaan estoainetta levittåå millå tahansa sopivalla tavalla, kuten peittåmållå mååritelty rajapinta estovåli-neen kerroksella. Sellainen estovålineen kerros voidaan muodostaa maalaamalla, upottamalla, silkkipainatuksella, 20 hoyryståmållå, tai levittåmållå estovålinettå muilla ta-voin neste-, liete- tai tahnamuodossa, tai sputteroimalla hoyrystyvåå estovålinettå, tai yksinkertaisesti kerrosta-malla kiinteån hiukkasmaisen estovålineen kerros, tai levittåmållå estovålineen kiinteå ohut arkki tai kalvo 25 mååritellylle rajapinnalle. Kun estovåline on paikallaan, spontaani tunkeutuminen påattyy oleellisesti silloin, kun tunkeutuva matriisimetalli saavuttaa mååritellyn rajapin-nan ja koskettaa estovålinettå.
30 Vålittomåsti seuraavassa olevat esimerkit sisåltåvåt esil-lå olevan keksinnon erilaisia demonstraatioita. Nåitå esimerkkejå on kuitenkin pidettåvå havainnollistavina, eikå niitå pidå ymmårtåå keksinnon suoja-alaa rajoittavina, joka mååritellåån oheisissa patenttivaatimuksissa.
li 35 ? '\ o j 2 37
Esimerkki 1
Kuvio 1 esittåå poikkileikkauksena jårjestelyn, jota voidaan kåyttåå muotoillun onkalon aikaansaaxniseksi 5 metallimatriisikomposiittiin. Tarkemmin ottaen tåyte-ainetta 3, joka kåsittåå 220 grit (seulamitta, grit = noin 75 mikrometriå) piikarbidia, jota toimittaa Norton Co. ja jota myydåån tuotenimellå 39 Crystolon, asetettiin tulenkeståvåån astiaan 1, joka kåsittåå erittåin puhdasta 10 alumiinioksidia. Tulenkeståvå veneen muotoinen alumiinioksidiastia saatiin Bolt Technical Ceramicsiltå, ja sen puhtaus oli 99,7 %. Kaksi muotoiltua alumiiniseostankoa 2a ja 2b, jotka kåsittivåt noin 15 painoprosenttia piitå ja noin 15 painoprosenttia mag-15 nesiumia, lopun ollessa alumiinia, ja joiden koko oli noin 114 mm x 51 mm x 12 mm, pinottiin påållekkåin ja upo-tettiin 220 grit piikarbidiin, niin ettå tangon 2a pinta oli oleellisesti linjassa tåyteaineen 3 pinnan kanssa. Tåyteainetta 3 ja valanteet 2a ja 2b sisåltåvå alu-20 miinioksidiastia 1 sijoitettiin såådettyyn atmosfååriin såhkovastusuuniin. Uuni kåsitti muhveliputken, jota ulkoisesti kuumennettiin vastuskelalla ja joka lisåksi oli eristetty ulkoilmasta. Noin 96 tilavuusprosenttia typpeå ja noin 4 tilavuusprosenttia vetyå (ts. muokkauskaasua) 25 syotettiin muhveliputkeen. Muokkauskaasua virtasi uuniin måårånå noin 0,35 1/minuutti. Muhveliuuni saatettiin noin 900 - 930°C låmpotilaan noin 10 tunnissa. Tåmå låmpotila yllåpidettiin noin 12 tuntia ja sitten muhveliuuni jååhdytettiin likimain huonelåmpåtilaan viidesså tunnissa.
30
Astia 1 poistettiin uunista ja sen sisålto tarkastettiin. Kuten kuviossa 3A nåytetåån, joka on kuva muodostuneesta metallimatriisikomposiitista 7 pååltå nåhtynå, muodostui onkalo 6, joka muodoltaan oleellisesti vastaa muotoiltuja 35 valanteita 2a ja 2b. Lisåksi, kuten kuviossa 3B esitetåån, jossa pååltåpåin vinosti katsotaan muodostuneen metalli-matriisikomposiitin 7 onkaloon 6, tankojen 2a ja 2b kopio 38 91832 oli niin tarkka, ettå tangoissa 2a ja 2b olleet sahan jåljet 8 kåånteisesti kopioituivat metallimatriisi-komposiitti-kappaleeseen.
5 Esimerkki 2 Tåsså esimerkisså kåånteismuoto-kopioitiin mutkikkaampi muoto. Kuviossa 2 naytetaan poikkileikkauksena jårjestely, jota kåytettiin muodostamaan monimutkainen onkalo metal-10 limatriisikomposiittiin. Tarkemmin ottaen tayteainetta 5, joka kåsittåå 220 grit (seulamitta, grit = noin 75 mikrometriå) piikarbidia, jota tomittaa Norton Co. ja jota myydåån tuotenimella 38 Alundum, asetettiin tulenkeståvåån astiaan 1, joka kåsittåå erittåin puhdasta alumiinioksidia.
15 Tulenkeståvå veneen muotoinen alumiinioksidiastia saatiin Bolt Technical Ceramics:ltå, ja sen puhtaus oli 99,7 %. Seuraavaksi koneistettu alumiiniseosvalanne 4, joka painoi noin 158 g, ja jonka ulkopinnalla oli useita ulkoneroia 9, asetettiin tåyteaineen 5 påålle. Koneistettu valanne 4 20 kåsitti noin 5 painoprosenttia piitå, noin 5 painoprosent-tia sinkkiå, noin 7 painoprosenttia magnesiumia, lopun ollessa alumiinia. Sen jålkeen kaadettiin lisåå tåyteainet-ta 5 valanteen 4 ympårille, kunnes valanne oli oleellisesti tåysin peitetty tåyteaineella 5. Tåyteainetta 5 ja valan-25 teen 4 sisåltåvå astia 1 sijoitettiin sitten muhveliput-kiuuniin, kuten esimerkisså 1 selitettiin. Uuniin jårjes-tettiin sitten tyhjo atmosfåårin poistamiseksi siitå, ja sellaisen tyhjentåmisen jålkeen annettiin muokkauskaasun (ts. 96 tilavuusprosenttia typpeå ja 4 tilavuusprosenttia 30 vetyå) virrata uuniin. Muhveliputkiuuniin syotettiin jat-kuvasti muokkauskaasua måårånå noin 0,5 1/minuutti. Muh-veliputki kuumennettiin nopeudella noin 150°C/h noin 875°C låmpotilaan. Tåmå låmpotila pidettiin noin 15 tuntia. Muhveliputkiuuni jååhdytettiin sitten noin huoneenlåmpo-35 tilaan nopeudella noin 200°C/h. Jååhdytyksen jålkeen astia 1 poistettiin ja tarkastettiin.
Ji 39 ' ^ '7 o 7 ! oc2
Kuten kuviossa 4A nåytetåån, joka on poikkileikkauskuva muodostuneesta metallimatriisikomposiitista, muodostui metallimatriisi-komposiittikappaleeseen 11 onkalo 10, joka muodoltaan oleellisesti on valanteen 4 komplementti.
5 Erityisesti oli sulatettu matriisimetalli oleellisesti tåydellisesti tunkeutunut tåyteaineeseen 5, niin ettå urat 9a olivat muodostuneet valanteen 4 ulkonemien 9 komplemen-teiksi. Lisåksi kuvio 4B esittåå pååtykuvannon muodostu-neesta metallimatriisikomposiitista 11 ennen sen halki-10 leikkausta. Vastaavasti havaitaan, ettå kopiointimenetelmå aikaansai komposiitin, jossa oleva onkalo 10 olellisesti kåånteisesti kopioi muotoillun valanteen 4. Huomataan, ettå onkalon 10 pohjaosassa oleva ainekappale vastaa sitå osaa tåyteaineesta, joka sijoitettiin vålittomåsti muotoillun 15 valanteen paålle.
Vaikka edellå olevia esimerkkejå on selitetty seikkaperåi-sesti, saattaa tavanomaisin taidoin varustetulle kåsityo-låiselle tulle mieleen muita muunnelmia nåistå esimerkeis-20 tå, ja kaikkien sellaisten muunelmien tulisi ymmårtåå sisåltyvån oheisten patenttivaatimusten suoja-alaan.
25 30 35

Claims (9)

91 632
1. Menetelmåmetallimatriisikomposiitin valraistamiseksi, tunnettu siitå, ettå menetelmåsså: muodostetaan matriisimetallivalanne, joka ainakin osittain 5 vastaa komposiittiin muodostettavan ontelon haluttua muo-toa; ympåroidåån valanne ainakin osittain oleellisesti reagoi-mattomalla tåyteaineella; kuumennetaan valannetta siten, ettå matriisimetalli sulaa; 10 saatetaan tunkeutumisen ediståjå ja/tai tunkeutumisen ediståjån edeltåjå sekå tunkeutumisatmosfååri kosketukseen matriisimetallin ja/tai tåyteaineen kanssa; ja saatetaan mainittu sula matriisimetalli spontaanisti tun-keutumaan ainakin tåyteaineen osaan siten, ettå tunkeutu-15 misen seurauksena saatavaan komposiittiin syntyy ontelo valanteen kohdalle.
2. Forfarande enligt patentkrav 1, kånnetecknat av att fyllnadsmedlet omfattar en forform.
2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmå, tunnettu siitå, ettå tåyteaine kåsittåå esimuotin. 20
3. Forfarande enligt patentkrav l, kånnetecknat av att 5 i fyllnadsmedlet bildas en grånsyta med hjålp av ett bar- riårmedel, varvid matrismetallen spontant trånger in ånda till barriårmedlet.
3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmå, tunnettu siitå, ettå muodostetaan tåyteaineeseen rajapinta estoai-neella, jolloin matriisimetalli spontaanisti tunkeutuu estoaineeseen saakka. 25
4. F6rfarande enligt patentkrav 3, kånnetecknat av att 10 barriårmedlet innehåller ett åmne valt i gruppen bestående av kol, grafit och titaniumborid.
4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmå, tunnettu siitå, ettå estoaine kåsittåå ainetta, joka on valittu ryhmåstå, johon kuuluvat hiili, grafiitti ja titaanidibo-ridi. 30
5. Forfarande enligt patentkrav 1, kånnetecknat av att fyllnadsmedlet innehåller åtminstone ett åmne valt i grup- 15 pen bestående av pulver, flingor, mikrokulor, fiberkris-taller, bubblor, fibrer, partiklar, fibermattor, brutna fibrer, kulor, pelletar, små råråmnen och brandbeståndiga tyger.
5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmå, tunnettu *- siitå, ettå tåyteaine kåsittåå ainakin yhden aineen, joka on valittu ryhmåstå, johon kuuluvat jauheet, hiutaleet, mikrokuulat, kuitukiteet, kuplat, kuidut, hiukkaset, kui-35 tumatot, katkaistut kuidut, kuulat, pelletit, pienet put-ket ja tulenkeståvåt kankaat. II I -', / · V· ί_
6. Forfarande enligt patentkrav 5, kånnetecknat av att den smålta matrismetallen våsentligen totalt infiltrerar fyllnadsmedlet så att det i metallmatriskompositen bildas en kavitet vårs form motsvarar nåmnda smålta.
6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmå, tunnettu siitå, ettå sula matriisimetalli oleellisen tåydellisesti tunkeutuu tåyteaineeseen niin, ettå metallimatriisikom-posiittiin jåå ontelo, joka muodoltaan vastaa mainittua 5 valannetta.
7. Forfarande enligt patentkrav 1, kånnetecknat av att kaviteten år åtminstone delvis åppen eller att den år våsentligen helt sluten.
7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmå, tunnettu siitå, ettå ontelo on ainakin osaksi avoin tai ettå se on oleellisen tåydellisesti suljettu. 10
8. Fårfarande enligt patentkrav 1 eller 4, kånnetecknad 30 av att fyllnadsmedlet år sjålvbårande åtminstone i något skede av den spontana infiltrationsprocessen.
8. Patenttivaatimuksen 1 tai 4 mukainen menetelmå, tunnettu siitå, ettå tåyteaine on itsekantava ainakin spontaanin tunkeutumisprosessin jossakin vaiheessa.
9. Patenttivaatimuksen 1 tai 4 mukainen menetelmå, tunnettu siitå, ettå tåyteaine saatetaan itsekantavaksi mainittua valannetta kuumentamalla ja/tai kåyttåmållå si-deainetta ja/tai tåyteaineen ja ainakin yhden muun aineen vålisen kemiallisen reaktion avulla. 20 l. Fårfarande for tillverkning av en metallmatriskompo-sit, kånnetecknat av att vid fårfarandet: bildas en matrismetallsmålta, som åtminstone delvis mot-25 svarar den onskade formen får kaviteten som skall bildas i kompositen; småltan omges med ett åtminstone delvis icke-reaktivt fyllnadsmedel; småltan upphettas så att matrismetallen smålter; 30 ett infiltrationsfråmjånde medel och/eller en fåregångare . till inf iltrationsf råmj ånde medel samt infiltrationsatmos- fåren såtts i beråring med matrismetallen och/eller fyll-nadsmedlet; och nåmnda smålta matrismetall får spontant infiltrera åtmins-35 tone en del av fyllnadsmedlet så att i kompositen som fås genom infiltrationen uppstår en kavitet vid stållet for småltan. 91 δ " 9
9. Forfarande enligt patentkrav 1 eller 4, kånnetecknad av att fyllnadsmedlet gårs sjålvbårande genom att upphetta 35 nåmnda smålta och/eller anvånda bindemedel och/eller genom en kemisk reaktion mellan fyllnadsmedlet och åtminstone ett annat åmne. Il
FI894928A 1988-11-10 1989-10-17 Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi FI91832C (fi)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US26937288 1988-11-10
US07/269,372 US5000245A (en) 1988-11-10 1988-11-10 Inverse shape replication method for forming metal matrix composite bodies and products produced therefrom

Publications (3)

Publication Number Publication Date
FI894928A0 FI894928A0 (fi) 1989-10-17
FI91832B FI91832B (fi) 1994-05-13
FI91832C true FI91832C (fi) 1994-08-25

Family

ID=23026965

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI894928A FI91832C (fi) 1988-11-10 1989-10-17 Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi

Country Status (20)

Country Link
US (1) US5000245A (fi)
EP (1) EP0368783B1 (fi)
JP (1) JP2905514B2 (fi)
KR (1) KR0121458B1 (fi)
CN (1) CN1082568C (fi)
AT (1) ATE100499T1 (fi)
AU (1) AU626582B2 (fi)
BR (1) BR8905616A (fi)
CA (1) CA2000775C (fi)
DE (1) DE68912523T2 (fi)
DK (1) DK558389A (fi)
FI (1) FI91832C (fi)
IE (1) IE63062B1 (fi)
IL (1) IL91728A (fi)
NO (1) NO176185C (fi)
NZ (1) NZ231070A (fi)
PH (1) PH26242A (fi)
PT (1) PT92257B (fi)
TR (1) TR25274A (fi)
ZA (1) ZA898540B (fi)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IL94957A (en) * 1989-07-18 1994-12-29 Lanxide Technology Co Ltd A method of creating bodies from a compound of a metal matrix by an empty process produced by itself, and products produced by it
IL94958A (en) * 1989-07-21 1995-05-26 Lanxide Technology Co Ltd A method for producing complex and connected bodies by infiltrating an autogenous vacuum and macro-complex bodies thus formed
EP0527948B1 (en) * 1990-05-09 1996-11-13 Lanxide Technology Company, Lp Thin metal matrix composites and production methods
US5361824A (en) * 1990-05-10 1994-11-08 Lanxide Technology Company, Lp Method for making internal shapes in a metal matrix composite body
US5900277A (en) * 1996-12-09 1999-05-04 The Dow Chemical Company Method of controlling infiltration of complex-shaped ceramic-metal composite articles and the products produced thereby
US6296045B1 (en) 1998-08-12 2001-10-02 The Dow Chemical Company Ceramic-metal composite and method to form said composite
JP4289775B2 (ja) * 2000-09-29 2009-07-01 日本碍子株式会社 多孔質金属基複合材料
KR100466512B1 (ko) * 2001-11-17 2005-01-15 기아자동차주식회사 차량용 이동식 루프 캐리어
KR101499855B1 (ko) * 2013-06-26 2015-03-18 주식회사 티앤머티리얼스 가압함침형 금속기지 복합재료 제조방법
CN109930096A (zh) * 2017-12-19 2019-06-25 宜兴安纳西智能机械设备有限公司 一种收片层叠装置用墙板材料

Family Cites Families (40)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US318195A (en) * 1885-05-19 James miller
US2951771A (en) * 1956-11-05 1960-09-06 Owens Corning Fiberglass Corp Method for continuously fabricating an impervious metal coated fibrous glass sheet
US3031340A (en) * 1957-08-12 1962-04-24 Peter R Girardot Composite ceramic-metal bodies and methods for the preparation thereof
US3149409A (en) * 1959-12-01 1964-09-22 Daimler Benz Ag Method of producing an engine piston with a heat insulating layer
US3396777A (en) * 1966-06-01 1968-08-13 Dow Chemical Co Process for impregnating porous solids
US3547180A (en) * 1968-08-26 1970-12-15 Aluminum Co Of America Production of reinforced composites
US3608170A (en) * 1969-04-14 1971-09-28 Abex Corp Metal impregnated composite casting method
JPS5013205B1 (fi) * 1969-11-08 1975-05-17
US3868267A (en) * 1972-11-09 1975-02-25 Us Army Method of making gradient ceramic-metal material
JPS49107308A (fi) * 1973-02-13 1974-10-11
US4082864A (en) * 1974-06-17 1978-04-04 Fiber Materials, Inc. Reinforced metal matrix composite
DE2819076C2 (de) * 1978-04-29 1982-02-25 Messerschmitt-Bölkow-Blohm GmbH, 8000 München Verfahren zum Herstellen eines metallischen Mehschicht-Verbundwerkstoffes
JPS602149B2 (ja) * 1980-07-30 1985-01-19 トヨタ自動車株式会社 複合材料の製造方法
JPS57210140A (en) * 1981-06-18 1982-12-23 Honda Motor Co Ltd Fiber reinfoced piston for internal combustion engine
US4404262A (en) * 1981-08-03 1983-09-13 International Harvester Co. Composite metallic and refractory article and method of manufacturing the article
US4376803A (en) * 1981-08-26 1983-03-15 The Aerospace Corporation Carbon-reinforced metal-matrix composites
US4376804A (en) * 1981-08-26 1983-03-15 The Aerospace Corporation Pyrolyzed pitch coatings for carbon fiber
US4456577A (en) * 1981-09-25 1984-06-26 Osaka Diamond Industrial Company, Ltd. Methods for producing composite rotary dresser
US4473103A (en) * 1982-01-29 1984-09-25 International Telephone And Telegraph Corporation Continuous production of metal alloy composites
JPS58144441A (ja) * 1982-02-23 1983-08-27 Nippon Denso Co Ltd 炭素繊維強化金属複合材料の製造方法
JPS5950149A (ja) * 1982-09-14 1984-03-23 Toyota Motor Corp 繊維強化金属複合材料
JPS59215982A (ja) * 1983-05-20 1984-12-05 Nippon Piston Ring Co Ltd 回転式流体ポンプ用ロータ及びその製造方法
GB2156718B (en) * 1984-04-05 1987-06-24 Rolls Royce A method of increasing the wettability of a surface by a molten metal
GB8411074D0 (en) * 1984-05-01 1984-06-06 Ae Plc Reinforced pistons
JPS6169448A (ja) * 1984-09-14 1986-04-10 工業技術院長 炭素繊維強化金属とその製造法
US4587177A (en) * 1985-04-04 1986-05-06 Imperial Clevite Inc. Cast metal composite article
US4673435A (en) * 1985-05-21 1987-06-16 Toshiba Ceramics Co., Ltd. Alumina composite body and method for its manufacture
US4630665A (en) * 1985-08-26 1986-12-23 Aluminum Company Of America Bonding aluminum to refractory materials
US4828785A (en) * 1986-01-27 1989-05-09 Lanxide Technology Company, Lp Inverse shape replication method of making ceramic composite articles
US4718941A (en) * 1986-06-17 1988-01-12 The Regents Of The University Of California Infiltration processing of boron carbide-, boron-, and boride-reactive metal cermets
US4657065A (en) * 1986-07-10 1987-04-14 Amax Inc. Composite materials having a matrix of magnesium or magnesium alloy reinforced with discontinuous silicon carbide particles
US4713111A (en) * 1986-08-08 1987-12-15 Amax Inc. Production of aluminum-SiC composite using sodium tetrasborate as an addition agent
US4859640A (en) * 1986-08-13 1989-08-22 Lanxide Technology Company, Lp Method of making ceramic composite articles with shape replicated surfaces
US4662429A (en) * 1986-08-13 1987-05-05 Amax Inc. Composite material having matrix of aluminum or aluminum alloy with dispersed fibrous or particulate reinforcement
US4753690A (en) * 1986-08-13 1988-06-28 Amax Inc. Method for producing composite material having an aluminum alloy matrix with a silicon carbide reinforcement
YU160687A (en) * 1986-09-16 1989-04-30 Lanxide Process for obtaining ceramic products with porous filling substance
US4871008A (en) * 1988-01-11 1989-10-03 Lanxide Technology Company, Lp Method of making metal matrix composites
DE68913800T2 (de) * 1988-04-30 1994-07-14 Toyota Motor Co Ltd Verfahren zur Herstellung von Verbundmetall unter Beschleunigung der Infiltration des Matrix-Metalls durch feine Teilchen eines dritten Materials.
US4932099A (en) * 1988-10-17 1990-06-12 Chrysler Corporation Method of producing reinforced composite materials
CA2000770C (en) * 1988-10-17 2000-06-27 John M. Corwin Method of producing reinforced composite materials

Also Published As

Publication number Publication date
EP0368783B1 (en) 1994-01-19
CA2000775A1 (en) 1990-05-10
NZ231070A (en) 1992-02-25
DK558389D0 (da) 1989-11-09
AU4164189A (en) 1990-05-17
DE68912523D1 (de) 1994-03-03
TR25274A (tr) 1992-12-09
JP2905514B2 (ja) 1999-06-14
PT92257A (pt) 1990-05-31
PT92257B (pt) 1995-07-18
IE63062B1 (en) 1995-03-22
NO893980D0 (no) 1989-10-05
US5000245A (en) 1991-03-19
NO176185B (no) 1994-11-07
EP0368783A1 (en) 1990-05-16
CN1042496A (zh) 1990-05-30
DE68912523T2 (de) 1994-05-05
IL91728A0 (en) 1990-06-10
IE893174L (en) 1990-05-10
ATE100499T1 (de) 1994-02-15
NO893980L (no) 1990-05-11
DK558389A (da) 1990-05-11
IL91728A (en) 1994-01-25
KR0121458B1 (ko) 1997-12-03
FI894928A0 (fi) 1989-10-17
KR900007526A (ko) 1990-06-01
PH26242A (en) 1992-04-01
ZA898540B (en) 1991-07-31
FI91832B (fi) 1994-05-13
NO176185C (no) 1995-02-15
AU626582B2 (en) 1992-08-06
BR8905616A (pt) 1990-06-05
CN1082568C (zh) 2002-04-10
CA2000775C (en) 2001-05-01
JPH02241660A (ja) 1990-09-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
FI91831C (fi) Menetelmä kolmiulotteisesti yhteenliittyneen rinnakkaismatriisin sisältävän metallimatriisikomposiittikappaleen valmistamiseksi
FI91608C (fi) Menetelmä ainakin kahden kappaleen yhteenliittämiseksi
FI89015C (fi) Foerfarande foer framstaellning av en metallmatriskomposit
FI91496C (fi) Menetelmä makrokomposiittikappaleiden muodostamiseksi sekä sillä muodostettuja makrokomposiittikappaleita
FI89014B (fi) Foerfarande foer framstaellning av en metallmatriskomposit
FI91723C (fi) Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi suunnatulla kiinteytyksellä
FI91611C (fi) Menetelmä metallimatriisi-komposiittikappaleen valmistamiseksi
FI91494C (fi) Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi sekä menetelmän mukaisesti valmistettu komposiitti
FI91492B (fi) Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi
FI91722C (fi) Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi
FI91724B (fi) Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi negatiivista seosmuottia käyttäen
FI91490B (fi) Menetelmä metallimatriisikomposiitin muodostamiseksi
FI91609C (fi) Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi
FI91495C (fi) Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi sulasta matriisimetallista ja oleellisesti ei-reaktiivisesta täyteaineesta
FI91491C (fi) Menetelmä metallimatriisikomposiittikappaleen valmistamiseksi uppovalumenetelmää käyttäen
FI91833B (fi) Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi sekä menetelmällä aikaansaatava metallimatriisikomposiittikappale
FI91832C (fi) Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi
FI91493B (fi) Menetelmä metallimatriisikomposiitin valmistamiseksi

Legal Events

Date Code Title Description
BB Publication of examined application
MM Patent lapsed
MM Patent lapsed

Owner name: LANXIDE TECHNOLOGY COMPANY, LP